Los investigadores de la Universidad de Rice han demostrado una nueva forma eficiente de capturar la energía de la luz solar y convertirla en limpia, energía renovable mediante la división de moléculas de agua.

La tecnología, que se describe en línea en la revista American Chemical Society Nano letras , se basa en una configuración de nanopartículas de oro activadas por luz que recolectan la luz solar y transfieren energía solar a electrones altamente excitados, a los que los científicos a veces se refieren como "electrones calientes".

"Los electrones calientes tienen el potencial de generar reacciones químicas muy útiles, pero se descomponen muy rápidamente, y la gente ha luchado por aprovechar su energía, "dijo el investigador principal Isabell Thomann, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática y de química y ciencia de los materiales y nanoingeniería en Rice. "Por ejemplo, la mayoría de las pérdidas de energía en los mejores paneles solares fotovoltaicos de la actualidad son el resultado de electrones calientes que se enfrían en unas pocas billonésimas de segundo y liberan su energía como calor desperdiciado ".

La captura de estos electrones de alta energía antes de que se enfríen podría permitir a los proveedores de energía solar aumentar significativamente sus eficiencias de conversión de energía solar a eléctrica y cumplir con el objetivo nacional de reducir el costo de la electricidad solar.

En las nanopartículas activadas por luz estudiadas por Thomann y sus colegas en el Laboratorio de Nanofotónica de Rice (LANP), la luz se captura y se convierte en plasmones, ondas de electrones que fluyen como un fluido a través de la superficie metálica de las nanopartículas. Los plasmones son estados de alta energía que son de corta duración, pero los investigadores de Rice y otros lugares han encontrado formas de capturar la energía plasmónica y convertirla en calor o luz útil. Las nanopartículas plasmónicas también ofrecen uno de los medios más prometedores para aprovechar el poder de los electrones calientes. y los investigadores de LANP han avanzado hacia ese objetivo en varios estudios recientes.

Thomann y su equipo, estudiantes de posgrado Hossein Robatjazi, Shah Mohammad Bahauddin y Chloe Doiron, creó un sistema que utiliza la energía de los electrones calientes para dividir moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. Eso es importante porque el oxígeno y el hidrógeno son las materias primas para las pilas de combustible, Dispositivos electroquímicos que producen electricidad de forma limpia y eficiente.

Para usar los electrones calientes, El equipo de Thomann primero tuvo que encontrar una manera de separarlos de sus correspondientes "agujeros de electrones, "Los estados de baja energía que los electrones calientes abandonaron cuando recibieron su sacudida plasmónica de energía. Una de las razones por las que los electrones calientes tienen una vida tan corta es que tienen una fuerte tendencia a liberar su nueva energía y volver a su estado de baja energía. La única forma de evitar esto es diseñar un sistema en el que los electrones calientes y los agujeros de electrones se separen rápidamente entre sí. La forma estándar para que los ingenieros eléctricos hagan esto es conducir los electrones calientes a través de una barrera de energía que actúa como una. válvula de paso. Thomann dijo que este enfoque tiene ineficiencias inherentes, pero es atractivo para los ingenieros porque utiliza una tecnología bien conocida llamada barreras Schottky, un componente probado y verdadero de la ingeniería eléctrica.

"Debido a las ineficiencias inherentes, queríamos encontrar un nuevo enfoque al problema, ", Dijo Thomann." Adoptamos un enfoque poco convencional:en lugar de expulsar los electrones calientes, diseñamos un sistema para eliminar los huecos de los electrones. En efecto, nuestra configuración actúa como un tamiz o una membrana. Los agujeros pueden pasar pero los electrones calientes no pueden, por lo que quedan disponibles en la superficie de las nanopartículas plasmónicas ".

La configuración presenta tres capas de materiales. La capa inferior es una fina hoja de aluminio brillante. Esta capa está cubierta con una fina capa de óxido de níquel transparente, y encima hay una colección de nanopartículas de oro plasmónicas, discos en forma de disco de unos 10 a 30 nanómetros de diámetro.

Cuando la luz del sol golpea los discos, ya sea directamente o como un reflejo del aluminio, los discos convierten la energía luminosa en electrones calientes. El aluminio atrae los huecos de electrones resultantes y el óxido de níquel permite que estos pasen al mismo tiempo que actúa como una barrera impermeable a los electrones calientes. que se quedan en oro. Colocando la hoja de material plana y cubriéndola con agua, los investigadores permitieron que las nanopartículas de oro actuaran como catalizadores para la división del agua. En la ronda actual de experimentos, Los investigadores midieron la fotocorriente disponible para la división del agua en lugar de medir directamente los gases de hidrógeno y oxígeno desarrollados producidos por la división. pero Thomann dijo que los resultados justifican un estudio más a fondo.

"Utilizando tecnologías de división de agua solar de electrones calientes, medimos eficiencias de fotocorriente que estaban a la par con estructuras considerablemente más complicadas que también usan componentes más costosos, "Estamos seguros de que podemos optimizar nuestro sistema para mejorar significativamente los resultados que ya hemos visto", dijo Thomann.