Des chercheurs de l'Université Rice ont démontré une nouvelle façon efficace de capter l'énergie de la lumière du soleil et de la convertir en énergie propre, énergie renouvelable en divisant les molécules d'eau.

La technologie, qui est décrit en ligne dans le journal de l'American Chemical Society Lettres nano , repose sur une configuration de nanoparticules d'or activées par la lumière qui captent la lumière du soleil et transfèrent l'énergie solaire à des électrons hautement excités, que les scientifiques appellent parfois « électrons chauds ».

"Les électrons chauds ont le potentiel de conduire des réactions chimiques très utiles, mais ils se décomposent très rapidement, et les gens ont lutté pour exploiter leur énergie, " a déclaré la chercheuse principale Isabell Thomann, professeur assistant de génie électrique et informatique et de chimie et science des matériaux et nano-ingénierie à Rice. "Par exemple, la plupart des pertes d'énergie dans les meilleurs panneaux solaires photovoltaïques d'aujourd'hui sont le résultat d'électrons chauds qui se refroidissent en quelques billions de seconde et libèrent leur énergie sous forme de chaleur perdue. »

La capture de ces électrons à haute énergie avant qu'ils ne refroidissent pourrait permettre aux fournisseurs d'énergie solaire d'augmenter considérablement leur efficacité de conversion d'énergie solaire en électricité et d'atteindre un objectif national de réduction du coût de l'électricité solaire.

Dans les nanoparticules activées par la lumière étudiées par Thomann et ses collègues du Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP), la lumière est captée et convertie en plasmons, vagues d'électrons qui s'écoulent comme un fluide à travers la surface métallique des nanoparticules. Les plasmons sont des états de haute énergie qui sont de courte durée, mais les chercheurs de Rice et d'ailleurs ont trouvé des moyens de capturer l'énergie plasmonique et de la convertir en chaleur ou lumière utile. Les nanoparticules plasmoniques offrent également l'un des moyens les plus prometteurs d'exploiter la puissance des électrons chauds, et les chercheurs du LANP ont fait des progrès vers cet objectif dans plusieurs études récentes.

Thomann et son équipe, étudiants diplômés Hossein Robatjazi, Shah Mohammad Bahauddin et Chloé Doiron, a créé un système qui utilise l'énergie des électrons chauds pour diviser les molécules d'eau en oxygène et hydrogène. C'est important parce que l'oxygène et l'hydrogène sont les matières premières des piles à combustible, appareils électrochimiques qui produisent de l'électricité proprement et efficacement.

Pour utiliser les électrons chauds, L'équipe de Thomann a d'abord dû trouver un moyen de les séparer de leurs "trous électroniques" correspondants, " les états de basse énergie que les électrons chauds ont quitté lorsqu'ils ont reçu leur secousse d'énergie plasmonique. L'une des raisons pour lesquelles les électrons chauds ont une durée de vie si courte est qu'ils ont une forte tendance à libérer leur nouvelle énergie et à revenir à leur état de basse énergie. La seule façon d'éviter cela est de concevoir un système où les électrons chauds et les trous d'électrons sont rapidement séparés les uns des autres. Thomann a déclaré que cette approche présente des inefficacités inhérentes, mais il est attrayant pour les ingénieurs car il utilise une technologie bien comprise appelée barrières Schottky, une composante éprouvée de l'électrotechnique.

« En raison des inefficacités inhérentes, nous voulions trouver une nouvelle approche du problème, " a déclaré Thomann. " Nous avons adopté une approche non conventionnelle :plutôt que de chasser les électrons chauds, nous avons conçu un système pour emporter les trous d'électrons. En effet, notre installation agit comme un tamis ou une membrane. Les trous peuvent passer à travers, mais les électrons chauds ne le peuvent pas, elles sont donc laissées disponibles à la surface des nanoparticules plasmoniques."

La configuration comporte trois couches de matériaux. La couche inférieure est une fine feuille d'aluminium brillant. Cette couche est recouverte d'une fine couche d'oxyde de nickel transparent, et dispersée au sommet se trouve une collection de nanoparticules d'or plasmoniques, des disques en forme de rondelle d'environ 10 à 30 nanomètres de diamètre.

Lorsque la lumière du soleil frappe les disques, soit directement, soit par réflexion sur l'aluminium, les disques convertissent l'énergie lumineuse en électrons chauds. L'aluminium attire les trous d'électrons qui en résultent et l'oxyde de nickel permet à ceux-ci de passer tout en agissant également comme une barrière imperméable aux électrons chauds, qui restent sur l'or. En posant la feuille de matériau à plat et en la recouvrant d'eau, les chercheurs ont permis aux nanoparticules d'or d'agir comme des catalyseurs pour le fractionnement de l'eau. Dans la série d'expériences en cours, les chercheurs ont mesuré le photocourant disponible pour le fractionnement de l'eau plutôt que de mesurer directement les gaz d'hydrogène et d'oxygène dégagés produits par le fractionnement, mais Thomann a déclaré que les résultats justifient une étude plus approfondie.

« En utilisant des technologies de séparation d'eau solaire à électrons chauds, nous avons mesuré des efficacités de photocourant comparables à celles de structures considérablement plus compliquées qui utilisent également des composants plus coûteux, " a déclaré Thomann. " Nous sommes convaincus que nous pouvons optimiser notre système pour améliorer considérablement les résultats que nous avons déjà vus. "