Das Eindringen von Nanokristallen verändert die Umwandlung von Infrarotlicht

(Links) Cu-beschichteter Wolframsäure-Nanokristall; (Rechts) Atomaufgelöstes Bild des Nanokristalls. Bildnachweis: Milbert Jim

Die gezielte Dotierung von Kupfer fördert die vollständige Nutzung der Sonnenenergie in Wolfram sauer Nanokristalle.

Sonnenlicht ist eine unerschöpfliche Energiequelle und die Nutzung von Sonnenlicht zur Stromerzeugung ist einer der Grundpfeiler erneuerbarer Energien. Mehr als 40 % des Sonnenlichts, das auf die Erde fällt, fällt 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 pansolare Nutzung – steckt noch in den Kinderschuhen.

Forschungsergebnisse der Universität Hokkaido

Ein Forscherteam aus Hokkaido-UniversitätEin Forscherteam unter der Leitung von außerordentlichem Professor Milbert Geim und Professor Seiichi Watanabe von der School of Engineering hat mit Kupfer dotierte Materialien auf Wolframsäurebasis synthetisiert, die die volle Nutzung der Sonnenenergie bewiesen haben. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.

„Derzeit werden die nahen und mittleren Infrarotspektren der Sonnenstrahlung, die von 800 nm bis 2.500 nm reichen, nicht zur Stromerzeugung genutzt“, erklärt Jim. „Wolframsäure ist ein Kandidat für die Entwicklung von Nanomaterialien, die dieses Spektrum nutzen können, da sie eine Kristallstruktur mit Defekten aufweist, die diese Wellenlängen absorbieren.“

Die zusammengefasste relative Lichtabsorption von Wolframsäurekristallen reicht von Ultraviolett bis Infrarot. 1, 5 und 10 sind die Cu-Konzentrationen, die zur optischen Kritikalität der Nanokristalle führen. Bildnachweis: Milbert Jim et al. Fortgeschrittene Werkstoffe. 29. Juli 2023

Methodik und Ergebnisse

Die Wissenschaftler verwendeten eine Photosynthesetechnik, die sie zuvor entwickelt hatten, die Photosynthese untergetauchter Kristalle, um Nanokristalle aus Wolframsäure herzustellen, die mit unterschiedlichen Kupferkonzentrationen imprägniert waren. Die Strukturen und Lichtabsorptionseigenschaften dieser Nanokristalle wurden analysiert; Ihre photothermischen, photounterstützten Wasserverdunstung und photoelektrochemischen Eigenschaften wurden gemessen.

Kupferbeschichtete Wolframoxid-Nanokristalle absorbieren Licht im gesamten Spektrum, von ultraviolettem über sichtbares Licht bis hin zu Infrarot; Bei einer Kupferdotierung von 1 % war die Menge des absorbierten Infrarotlichts größer. Mit 1 % und 5 % Cu beschichtete Nanokristalle zeigten den höchsten Temperaturanstieg (photothermische Eigenschaft); Die mit 1 % Kupfer beschichteten Kristalle zeigten mit etwa 1,0 kg pro Quadratmeter und Stunde auch die höchste Wasserverdampfungseffizienz. Die Strukturanalyse von mit 1 % Kupfer beschichteten Nanokristallen zeigte, dass Kupferionen die Kristallstruktur von Wolframoxid verzerren können, was zu den beobachteten lichtabsorbierenden Eigenschaften führt.

Abschließende Bemerkungen

„Unsere Entdeckungen stellen einen großen Fortschritt im Design von Nanokristallen dar, die in der Lage sind, Solarenergie vollständig zu erzeugen und zu nutzen“, schließt Watanabe. „Wir haben gezeigt, dass die Kupferdotierung Wolframsäure-Nanokristallen durch die vollständige Nutzung der Sonnenenergie vielfältige Eigenschaften verleiht. Dies bietet einen Rahmen für weitere Forschung in diesem Bereich sowie für die Entwicklung von Anwendungen.“

Referenz: „Fehlerfreie optische kritische Stufen, abgestimmt auf die vollständige Nutzung der Sonnenenergie“ von Milbert Jim, Ayaka Hayano, Hiroto Miyashita, Mahiro Nishimura, Kohei Fukuroi, Hsueh-I Lin, Lihua Zhang und Seiichi Watanabe, 29. Juli 2023, Fortgeschrittene Werkstoffe.
doi: 10.1002/adma.202305494

Diese Arbeit wurde von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (20H00295, 21K04823) unterstützt. Diese Arbeit wurde teilweise von einem Hochgeschwindigkeitscomputersystem im Information Initiative Center der Universität Hokkaido durchgeführt. Diese Arbeit wurde an der Universität Hokkaido durchgeführt und von der Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology of Japan (ARIM) des Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT) unterstützt.