(Phys.org)-Eftersom världens beroende av fossila bränslen orsakar ständigt ökande problem, forskare undersöker solbränslen som en alternativ energikälla. För att göra solbränslen, solljus omvandlas till väte eller annan typ av kemisk energi. Jämfört med energi producerad av solceller, som omvandlar solljus direkt till elektricitet, solbränslen som väte har fördelen att de är lättare att lagra för senare användning.

På grund av den enorma mängden solljus som når jorden, solbränsleproduktion har potential att fungera som en ren, terawatt-skala global energikälla. Men för att detta ska hända, fotokatalysatorerna som förbättrar ljusabsorptionen och ljusinställningen måste förbättras, både när det gäller högre prestanda och lägre kostnad.

I en ny studie, forskarna Soo Jin Kim, et al., vid Geballe Laboratory for Advanced Materials i Stanford, Kalifornien, har visat att fotokatalysatorer gjorda av järnoxid uppvisar betydande prestandaförbättringar när de mönstras med nanostrukturer. Deras uppsats publiceras i ett nyligen utgåva av Nano bokstäver .

"Jag tror att det viktigaste framsteget är att arbetet kommer att ge värdefulla riktlinjer för design av nya, nanostrukturerade fotokatalysatormaterial som effektivt kan absorbera ljus och driva katalytiska reaktioner, ”Berättade professor Mark L. Brongersma vid Stanford Phys.org . "Förhoppningsvis, det kommer att stimulera mer forskning om fotonhantering för fotokatalysatormaterial. Användningen av fotonhanteringar vid solbränsleproduktion ligger starkt efter när det gäller utveckling av fotonhanteringsstrategier för solceller. "

Som forskarna förklarar, järnoxid i hematitfasen (Fe ₂ O ₃ ) är en jordöverflödig halvledare med en bandgap-energi på 590 nm, som anses vara nära optimal för vattensplittring och väteproduktion. Eftersom den absorberar fotoner över en relativt stor del av solspektrumet, det överträffar andra katalysatormaterial som absorberar mindre delar av solspektret.

Trots dessa fördelar, hematit har en svaghet:den kan inte absorbera fotoner nära dess yta, vilket resulterar i att många av de fotoexciterade bärarna rekombineras snarare än att delta i kemiska reaktioner för att producera väte. Detta problem uppstår på grund av en felaktig överensstämmelse mellan hematitens mycket korta (nanometer skala) bärardiffusionslängd jämfört med absorptionsdjupet av ljus (mikrometerskala nära ytan). Så även om fotonerna är närvarande, de kan inte användas effektivt.

Tidigare forskning har försökt lösa detta problem genom att lägga till metallnanostrukturer för att förbättra ljusabsorptionen i fotokatalysatorernas nära ytregion. Dock, detta tillvägagångssätt lider av inneboende optiska förluster i metallen.

I den aktuella studien, forskarna har kringgått detta problem med optisk förlust genom att nanopatrera hematitfotokatalysatorerna själva. Nanostrukturerna tillåter fotokatalysatorn att övervinna den skadliga obalansen mellan bärardiffusion och fotonisk absorptionslängdskala, och omfördela fotonerna till området nära ytan.

Nanostruktureringens fördelar kommer från det faktum att det tillåter solljus att driva optiska resonanser i hematiten, vilket resulterar i en förbättring av både ljusabsorption och ljusspridning. Genom att konstruera storleken, form, mellanrum, och dielektrisk miljö i nanostrukturerna, forskarna kunde optimera och ställa in resonansvåglängderna över solspektrumet.

Denna strategi för nanostrukturering av en fotokatalysator kan utvidgas till andra fotokatalysatormaterial. Eftersom tekniker för nanopatroon fortsätter att användas oftare inom många olika områden, Det är troligt att nanostrukturerade matriser kan göras billigt över stora områden.

"Nästa, vi kommer att använda metamaterialkoncept i våra fotokatalysatormaterial, "Sa Brongersma." Vi får se vart det tar oss! "

© 2014 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.