I nanocristalli infusi di rame aumentano la conversione della luce infrarossa

Il drogaggio sistematico del rame aumenta l’utilizzo totale dell’energia solare nei nanocristalli di acido tungstico.

La luce solare è una fonte inesauribile di energia e l’utilizzo della luce solare per generare elettricità è uno dei pilastri dell’energia rinnovabile. Più del 40% della luce solare che cade sulla terra rientra negli spettri infrarosso, visibile e ultravioletto; tuttavia, l’attuale tecnologia solare utilizza principalmente raggi visibili e ultravioletti. La tecnologia per utilizzare l’intero spettro della radiazione solare – chiamata utilizzo all-solar – è ancora agli inizi.

Un team di ricercatori dell’Università di Hokkaido, guidato dal professore associato Melbert Jeem e dal professor Seiichi Watanabe della Facoltà di Ingegneria, ha sintetizzato materiali a base di acido tungstico drogati con rame che hanno mostrato un utilizzo completamente solare. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Materiale avanzato.

“Attualmente, lo spettro del vicino e medio infrarosso della radiazione solare, che va da 800 nm a 2500 nm, non viene utilizzato per la produzione di energia”, spiega Jeem. “L’acido tungstico è un candidato per lo sviluppo di nanomateriali che possono potenzialmente utilizzare questo spettro, poiché possiede una struttura cristallina con difetti che assorbono queste lunghezze d’onda”.

Il team ha utilizzato una tecnica di fotofabbricazione sviluppata in precedenza, la fotosintesi sommersa dei cristalliti, per sintetizzare nanocristalli di acido tungstico drogati con concentrazioni variabili di rame. Sono state analizzate le strutture e le proprietà di assorbimento della luce di questi nanocristalli; sono state misurate le loro caratteristiche fototermiche, di evaporazione dell’acqua fotoassistita e fotoelettrochimiche.

Un assorbimento di luce relativo riassuntivo dei cristalli di acido tungstico che va dalla luce ultravioletta a quella infrarossa. 1, 5 e 10 sono le concentrazioni di rame che determinano l’optocriticità dei nanocristalli. (Melbert Jeem, et al. Advanced Materials. 29 luglio 2023)

I nanocristalli di ossido di tungsteno drogato con rame assorbono la luce attraverso tutto lo spettro, dall’ultravioletto alla luce visibile fino all’infrarosso; la quantità di luce infrarossa assorbita era maggiore con un drogaggio con rame dell’1%. I nanocristalli drogati con rame all’1% e al 5% hanno mostrato il massimo aumento della temperatura (caratteristica fototermica); Anche i cristalli drogati con l’1% di rame hanno mostrato la massima efficacia di evaporazione dell’acqua, con circa 1,0 kg per m2 all’ora. L’analisi strutturale dei nanocristalli drogati con rame all’1% ha indicato che gli ioni rame potrebbero distorcere la struttura cristallina dell’ossido di tungsteno, portando alle caratteristiche osservate quando la luce viene assorbita.

«Le nostre scoperte segnano un progresso significativo nella progettazione di nanocristalliti in grado sia di sintetizzare che di sfruttare l’energia solare», conclude Watanabe. “Abbiamo dimostrato che il drogaggio del rame conferisce ai nanocristalli di acido tungstico una varietà di caratteristiche attraverso l’utilizzo completamente solare. Ciò fornisce un quadro per ulteriori ricerche sul campo e per lo sviluppo di applicazioni”.

Articolo originale:

Melbert Jeem, et al. Fasi opto-critiche guidate da difetti ottimizzate per l’utilizzo completamente solare. Materiale avanzato. 29 luglio 2023.

DOI: 10.1002/adma.202305494

Finanziamento:

Questo lavoro è stato sostenuto dalla Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (20H00295, 21K04823). Questo lavoro è stato in parte realizzato attraverso un sistema di supercomputer presso il centro di iniziativa informativa dell’Università di Hokkaido. Questo lavoro è stato condotto presso l’Università di Hokkaido, con il supporto dell’Infrastruttura di ricerca avanzata per i materiali e le nanotecnologie in Giappone (ARIM) del Ministero dell’Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia (MEXT).

Ripubblicato dall’Università di Hokkaido.