p Pesquisadores da Rice University demonstraram uma nova maneira eficiente de capturar a energia da luz solar e convertê-la em limpa, energia renovável pela divisão das moléculas de água. p A tecnologia, que é descrito online no jornal American Chemical Society Nano Letras , depende de uma configuração de nanopartículas de ouro ativadas por luz que coletam a luz solar e transferem a energia solar para elétrons altamente excitados, que os cientistas às vezes chamam de "elétrons quentes".

p "Os elétrons quentes têm o potencial de conduzir reações químicas muito úteis, mas eles decaem muito rapidamente, e as pessoas têm lutado para controlar sua energia, "disse o pesquisador Isabell Thomann, professor assistente de engenharia elétrica e da computação e de química e ciência dos materiais e nanoengenharia na Rice. "Por exemplo, a maioria das perdas de energia nos melhores painéis solares fotovoltaicos de hoje é o resultado de elétrons quentes que esfriam em alguns trilionésimos de segundo e liberam sua energia como calor desperdiçado. "

p Capturar esses elétrons de alta energia antes que eles esfriem pode permitir que os fornecedores de energia solar aumentem significativamente suas eficiências de conversão de energia solar em elétrica e cumpram uma meta nacional de reduzir o custo da eletricidade solar.

p Nas nanopartículas ativadas por luz estudadas por Thomann e colegas do Laboratório de Nanofotônica de Rice (LANP), a luz é capturada e convertida em plasmons, ondas de elétrons que fluem como um fluido pela superfície metálica das nanopartículas. Plasmons são estados de alta energia que duram pouco, mas pesquisadores da Rice e de outros lugares encontraram maneiras de capturar a energia plasmônica e convertê-la em calor ou luz útil. As nanopartículas plasmônicas também oferecem um dos meios mais promissores de aproveitar o poder dos elétrons quentes, e os pesquisadores do LANP fizeram progresso em direção a esse objetivo em vários estudos recentes.

p Thomann e sua equipe, estudantes de graduação Hossein Robatjazi, Shah Mohammad Bahauddin e Chloe Doiron, criou um sistema que usa a energia dos elétrons quentes para dividir as moléculas de água em oxigênio e hidrogênio. Isso é importante porque o oxigênio e o hidrogênio são as matérias-primas para as células a combustível, dispositivos eletroquímicos que produzem eletricidade de forma limpa e eficiente.

p Para usar os elétrons quentes, A equipe de Thomann primeiro teve que encontrar uma maneira de separá-los de seus correspondentes "buracos de elétrons, "os estados de baixa energia que os elétrons quentes se esvaziaram quando receberam sua sacudida plasmônica de energia. Um dos motivos pelos quais os elétrons quentes têm vida tão curta é que eles têm uma forte tendência de liberar sua energia recém-descoberta e voltar ao estado de baixa energia. A única maneira de evitar isso é projetar um sistema em que os elétrons quentes e os buracos de elétrons sejam rapidamente separados uns dos outros. A maneira padrão para os engenheiros elétricos fazerem isso é conduzir os elétrons quentes sobre uma barreira de energia que atua como um válvula de forma. Thomann disse que esta abordagem tem ineficiências inerentes, mas é atraente para engenheiros porque usa uma tecnologia bem conhecida, chamada de barreiras Schottky, um componente testado e comprovado da engenharia elétrica.

p "Por causa das ineficiências inerentes, queríamos encontrar uma nova abordagem para o problema, "Disse Thomann." Adotamos uma abordagem não convencional:em vez de expulsar os elétrons quentes, projetamos um sistema para eliminar os buracos dos elétrons. Com efeito, nossa configuração atua como uma peneira ou uma membrana. Os buracos podem passar, mas os elétrons quentes não podem, então eles são deixados disponíveis na superfície das nanopartículas plasmônicas. "

p A configuração apresenta três camadas de materiais. A camada inferior é uma folha fina de alumínio brilhante. Esta camada é coberta com uma fina camada de óxido de níquel transparente, e, espalhado no topo dele, está uma coleção de nanopartículas de ouro plasmônico - discos em forma de disco com cerca de 10 a 30 nanômetros de diâmetro.

p Quando a luz do sol atinge os discos, seja diretamente ou como um reflexo do alumínio, os discos convertem a energia da luz em elétrons quentes. O alumínio atrai os buracos de elétrons resultantes e o óxido de níquel permite que eles passem, ao mesmo tempo que atua como uma barreira impermeável aos elétrons quentes, que ficam em ouro. Colocando a folha de material plana e cobrindo-a com água, os pesquisadores permitiram que as nanopartículas de ouro agissem como catalisadores para a divisão da água. Na atual rodada de experimentos, os pesquisadores mediram a fotocorrente disponível para a divisão da água, em vez de medir diretamente os gases de hidrogênio e oxigênio evoluídos produzidos pela divisão, mas Thomann disse que os resultados justificam um estudo mais aprofundado.

p "Utilizando tecnologias de divisão de água solar de elétrons quentes, medimos eficiências de fotocorrente que estavam no mesmo nível de estruturas consideravelmente mais complicadas que também usam componentes mais caros, "Disse Thomann." Estamos confiantes de que podemos otimizar nosso sistema para melhorar significativamente os resultados que já vimos. "