Mit Kupfer angereicherte Nanokristalle steigern die Umwandlung von Infrarotlicht

Systematische Kupferdotierung steigert die gesamtsolare Nutzung in Wolframsäure-Nanokristallen.

Sonnenlicht ist eine unerschöpfliche Energiequelle und die Nutzung von Sonnenlicht zur Stromerzeugung ist einer der Grundpfeiler erneuerbarer Energien. Mehr als 40 % des auf die Erde fallenden Sonnenlichts liegt im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Spektrum; Allerdings nutzt die aktuelle Solartechnologie hauptsächlich sichtbare und ultraviolette Strahlen. Die Technologie zur Nutzung des gesamten Spektrums der Sonnenstrahlung – die sogenannte „All-Solar-Nutzung“ – steckt noch in den Kinderschuhen.

Ein Forscherteam aus Hokkaido-UniversitätUnter der Leitung von Assistenzprofessor Melbert Jeem und Professor Seiichi Watanabe an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften haben sie mit Kupfer dotierte Materialien auf Wolframsäurebasis synthetisiert, die sich vollständig solar nutzen lassen. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.

„Derzeit werden die Spektren der Sonnenstrahlung im nahen und mittleren Infrarotbereich im Bereich von 800 nm bis 2500 nm nicht zur Energieerzeugung genutzt“, erklärt Jeem. „Wolframsäure ist ein Kandidat für die Entwicklung von Nanomaterialien, die dieses Spektrum potenziell nutzen können, da sie eine Kristallstruktur mit Defekten besitzt, die diese Wellenlängen absorbieren.“

Das Team nutzte eine Fotofabrikationstechnik, die es zuvor entwickelt hatte, die untergetauchte Photosynthese von Kristalliten, um Wolframsäure-Nanokristalle zu synthetisieren, die mit unterschiedlichen Kupferkonzentrationen dotiert waren. Die Strukturen und lichtabsorbierenden Eigenschaften dieser Nanokristalle wurden analysiert; Ihre photothermischen, photounterstützten Wasserverdunstung und photoelektrochemischen Eigenschaften wurden gemessen.

Die kupferdotierten Wolframoxid-Nanokristalle absorbieren Licht im gesamten Spektrum, von Ultraviolett über sichtbares Licht bis hin zu Infrarot; Die Menge des absorbierten Infrarotlichts war bei 1 % Kupferdotierung am größten. Mit 1 % und 5 % Kupfer dotierte Nanokristalle zeigten den höchsten Temperaturanstieg (photothermische Charakteristik); Mit 1 % Kupfer dotierte Kristalle zeigten mit etwa 1,0 kg pro m2 und Stunde auch die größte Wasserverdampfungseffizienz. Die Strukturanalyse der mit 1 % Kupfer dotierten Nanokristalle deutete darauf hin, dass die Kupferionen möglicherweise die Kristallstruktur von Wolframoxid verzerren, was zu den beobachteten Eigenschaften führt, wenn Licht absorbiert wird.

„Unsere Entdeckungen stellen einen bedeutenden Fortschritt im Design von Nanokristalliten dar, die in der Lage sind, rein solare Energie sowohl zu synthetisieren als auch zu nutzen“, schließt Watanabe. „Wir haben gezeigt, dass die Kupferdotierung Wolframsäure-Nanokristallen durch die rein solare Nutzung vielfältige Eigenschaften verleiht. Dies bietet einen Rahmen für die weitere Forschung auf diesem Gebiet sowie für die Entwicklung von Anwendungen.“

Originaler Artikel:

Melbert Jeem et al. Defektgesteuerte optokritische Phasen, abgestimmt auf die rein solare Nutzung. Fortgeschrittene Werkstoffe. 29. Juli 2023.

DOI: 10.1002/adma.202305494

Finanzierung:

Diese Arbeit wurde von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (20H00295, 21K04823) unterstützt. Diese Arbeit wurde teilweise durch ein Supercomputersystem im Informationsinitiativenzentrum der Hokkaido-Universität erreicht. Diese Arbeit wurde an der Universität Hokkaido durchgeführt und von der Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology in Japan (ARIM) des Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT) unterstützt.

Neu veröffentlicht von Hokkaido-Universität.