Rice University forskare har visat ett effektivt nytt sätt att fånga energin från solljus och omvandla den till ren, förnybar energi genom att klyva vattenmolekyler.

Teknologin, som beskrivs online i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver , förlitar sig på en konfiguration av ljusaktiverade guldnanopartiklar som skördar solljus och överför solenergi till starkt exciterade elektroner, som forskare ibland kallar "heta elektroner".

"Varma elektroner har potential att driva mycket användbara kemiska reaktioner, men de förfaller mycket snabbt, och människor har kämpat för att utnyttja sin energi, " sa ledande forskare Isabell Thomann, biträdande professor i elektro- och datateknik och i kemi och materialvetenskap och nanoteknik vid Rice. "Till exempel, de flesta av energiförlusterna i dagens bästa solcellspaneler är resultatet av heta elektroner som svalnar inom några biljondelar av en sekund och frigör sin energi som spillvärme."

Att fånga dessa högenergielektroner innan de svalnar kan göra det möjligt för solenergileverantörer att avsevärt öka sin energikonvertering från solenergi till el och uppfylla ett nationellt mål om att minska kostnaden för solel.

I de ljusaktiverade nanopartiklarna som studerats av Thomann och kollegor vid Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP), ljus fångas upp och omvandlas till plasmoner, vågor av elektroner som flyter som en vätska över nanopartiklarnas metallyta. Plasmoner är högenergitillstånd som är kortlivade, men forskare vid Rice och på andra håll har hittat sätt att fånga plasmonisk energi och omvandla den till användbar värme eller ljus. Plasmoniska nanopartiklar erbjuder också ett av de mest lovande sätten att utnyttja kraften hos heta elektroner, och LANP-forskare har gjort framsteg mot det målet i flera nya studier.

Thomann och hennes team, doktorander Hossein Robatjazi, Shah Mohammad Bahauddin och Chloe Doiron, skapat ett system som använder energin från heta elektroner för att dela upp vattenmolekyler till syre och väte. Det är viktigt eftersom syre och väte är råvaran för bränsleceller, elektrokemiska apparater som producerar el rent och effektivt.

För att använda de heta elektronerna, Thomanns team var först tvunget att hitta ett sätt att skilja dem från deras motsvarande "elektronhål, " lågenergitillstånden att de heta elektronerna utrymdes när de fick sin plasmoniska stöt av energi. En anledning till att heta elektroner är så kortlivade är att de har en stark tendens att frigöra sin nyfunna energi och återgå till sitt lågenergitillstånd. Det enda sättet att undvika detta är att konstruera ett system där de heta elektronerna och elektronhålen snabbt separeras från varandra. Standardsättet för elektroingenjörer att göra detta är att driva de heta elektronerna över en energibarriär som fungerar som en en- vägventil. Thomann sa att detta tillvägagångssätt har inneboende ineffektivitet, men det är attraktivt för ingenjörer eftersom det använder välkänd teknik som kallas Schottky-barriärer, en beprövad komponent inom elektroteknik.

"På grund av den inneboende ineffektiviteten, vi ville hitta ett nytt förhållningssätt till problemet, ", sa Thomann. "Vi tog ett okonventionellt tillvägagångssätt:Istället för att driva bort de heta elektronerna, vi designade ett system för att bära bort elektronhålen. I själva verket, vår uppställning fungerar som en sil eller ett membran. Hålen kan passera, men de heta elektronerna kan inte, så de lämnas tillgängliga på ytan av de plasmoniska nanopartiklarna."

Installationen har tre lager av material. Det undre lagret är en tunn skiva av glänsande aluminium. Detta lager är täckt med en tunn beläggning av genomskinlig nickeloxid, och utspridda ovanpå detta är en samling plasmoniska guldnanopartiklar - puckformade skivor med en diameter på cirka 10 till 30 nanometer.

När solljus träffar skivorna, antingen direkt eller som en reflektion från aluminiumet, skivorna omvandlar ljusenergin till heta elektroner. Aluminiumet attraherar de resulterande elektronhålen och nickeloxiden låter dessa passera samtidigt som det fungerar som en ogenomtränglig barriär för de heta elektronerna, som stannar på guld. Genom att lägga materialet platt och täcka det med vatten, forskarna lät guldnanopartiklarna fungera som katalysatorer för vattenklyvning. I den aktuella omgången av experiment, forskarna mätte den fotoström som var tillgänglig för vattenklyvning snarare än att direkt mäta de utvecklade väte- och syrgaserna som producerades genom klyvning, men Thomann sa att resultaten motiverar ytterligare studier.

"Genom att använda heta elektron-solar vattendelande teknologier mätte vi fotoströmseffektiviteter som var i nivå med betydligt mer komplicerade strukturer som också använder dyrare komponenter, ", sa Thomann. "Vi är övertygade om att vi kan optimera vårt system för att avsevärt förbättra de resultat vi redan har sett."