(Phys.org) —Comme la dépendance du monde aux combustibles fossiles cause des problèmes de plus en plus graves, les chercheurs étudient les combustibles solaires comme source d'énergie alternative. Pour fabriquer des combustibles solaires, la lumière du soleil est convertie en hydrogène ou en un autre type d'énergie chimique. Par rapport à l'énergie produite par les cellules solaires, qui convertissent la lumière du soleil directement en électricité, les combustibles solaires tels que l'hydrogène ont l'avantage d'être plus faciles à stocker pour une utilisation ultérieure.

En raison de l'énorme quantité de lumière solaire qui atteint la Terre, la production de combustible solaire a le potentiel de servir de source d'énergie mondiale à l'échelle du térawatt. Mais pour que cela se produise, les photocatalyseurs qui améliorent l'absorption et le piégeage de la lumière doivent être améliorés, à la fois en termes de performances supérieures et de coûts inférieurs.

Dans une nouvelle étude, chercheurs Soo Jin Kim, et al., au Geballe Laboratory for Advanced Materials à Stanford, Californie, ont démontré que les photocatalyseurs fabriqués à partir d'oxyde de fer présentent des améliorations de performances substantielles lorsqu'ils sont modelés avec des nanostructures. Leur article est publié dans un récent numéro de Lettres nano .

"Je pense que l'avancée la plus significative est que le travail fournira des directives précieuses pour la conception de nouveaux, des matériaux photocatalyseurs nanostructurés capables d'absorber efficacement la lumière et de conduire des réactions catalytiques, " Le professeur Mark L. Brongersma à Stanford a déclaré Phys.org . "Avec un peu de chance, il stimulera davantage de recherches sur la gestion des photons pour les matériaux photocatalyseurs. L'utilisation de la gestion des photons dans la production de combustible solaire est à la traîne par rapport au développement de stratégies de gestion des photons pour les cellules solaires."

Comme l'expliquent les chercheurs, oxyde de fer dans la phase hématite (Fe 2 O 3 ) est un semi-conducteur abondant sur terre avec une énergie de bande interdite de 590 nm, qui est considéré comme proche de l'optimum pour le fractionnement de l'eau et la production d'hydrogène. Parce qu'il absorbe les photons à travers une partie relativement importante du spectre solaire, il surpasse les autres matériaux catalyseurs qui absorbent de plus petites portions du spectre solaire.

Malgré ces avantages, l'hématite a une faiblesse :elle ne peut pas absorber les photons près de sa surface, ce qui entraîne la recombinaison de nombreux porteurs photoexcités plutôt que leur participation à des réactions chimiques pour produire de l'hydrogène. Ce problème se produit en raison d'un décalage entre la longueur de diffusion du porteur très courte (échelle nanométrique) de l'hématite par rapport à la profondeur d'absorption de la lumière (échelle micrométrique près de la surface). Ainsi, même si les photons sont présents, ils ne peuvent pas être utilisés efficacement.

Des recherches antérieures ont tenté de résoudre ce problème en ajoutant des nanostructures métalliques pour améliorer l'absorption de la lumière dans la région proche de la surface des photocatalyseurs. Cependant, cette approche souffre de pertes optiques intrinsèques dans le métal.

Dans l'étude actuelle, les chercheurs ont contourné ce problème de perte optique en nanostructurant eux-mêmes les photocatalyseurs d'hématite. Les nanostructures permettent au photocatalyseur de surmonter le décalage préjudiciable entre les échelles de longueur de diffusion des porteurs et d'absorption photonique, et redistribuer les photons vers la région proche de la surface.

Les avantages de la nanostructuration viennent du fait qu'elle permet à la lumière du soleil de conduire des résonances optiques dans l'hématite, résultant en une amélioration à la fois de l'absorption de la lumière et de la diffusion de la lumière. En concevant la taille, forme, espacement, et l'environnement diélectrique des nanostructures, les chercheurs pourraient optimiser et régler les longueurs d'onde de résonance à travers le spectre solaire.

Cette stratégie de nanostructuration d'un photocatalyseur pourrait être étendue à d'autres matériaux photocatalyseurs. Alors que les techniques de nanostructuration continuent d'être utilisées de plus en plus dans de nombreux domaines différents, il est probable que des réseaux nanostructurés puissent être fabriqués à peu de frais sur de grandes surfaces.

"Prochain, nous allons utiliser des concepts de métamatériaux dans nos matériaux photocatalyseurs, " a déclaré Brongersma. "Nous verrons où cela nous mènera!"

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