Zonlicht is een onuitputtelijke energiebron en het gebruik van zonlicht om elektriciteit op te wekken is een van de hoekstenen van hernieuwbare energie. Meer dan 40% van het zonlicht dat op aarde valt, behoort tot het infrarode, zichtbare en ultraviolette spectrum; De huidige zonnetechnologie maakt echter voornamelijk gebruik van zichtbaar en ultraviolet licht. Technologieën die het volledige spectrum van zonnestraling benutten, bekend als totale zonne-energie, staan nog in de kinderschoenen.
(Links) Enkel kopergedoteerd wolfraamzuur nanokristal; (rechts) Atoomresolutiebeeld van het nanokristal.
Een onderzoeksteam onder leiding van assistent-professoren Melbert Jeem en professor Seiichi Watanabe van het College of Engineering aan de Universiteit van Hokkaido synthetiseerde een met koper gedoteerd wolframaatgebaseerd materiaal met volledig gebruik van zonne-energie. Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials.
Jeem legt uit: ‘Momenteel wordt het nabij- en midden-infrarode spectrum van zonnestraling (800 nm tot 2500 nm) niet gebruikt om elektriciteit op te wekken. Wolfraamzuur is een kandidaat voor de ontwikkeling van nanomaterialen die dit spectrum zouden kunnen exploiteren, omdat het een kristalstructuur bezit met defecten die deze golflengten absorberen.’
Samenvatting van de relatieve lichtabsorptie van wolframaatkristallen van UV naar infrarood licht. 1, 5 en 10 zijn de koperconcentraties die ervoor zorgen dat de nanokristallen fotokritisch worden. Afbeelding tegoed: MelbertJeem et al. Geavanceerde materialen. 29 juli 2023
De wetenschappers gebruikten een fotofabricagetechniek die ze eerder hadden ontwikkeld, onderwaterfotosynthese van microkristallen, om wolframaat-nanokristallen te synthetiseren die zijn gedoteerd met verschillende concentraties koper. De structuur en lichtabsorptie-eigenschappen van deze nanokristallen werden geanalyseerd; hun fotothermische, fotoondersteunde waterverdamping en foto-elektrochemische eigenschappen werden gemeten.
Met koper gedoteerde nanokristallen van wolfraamoxide absorberen het hele spectrum van licht, van ultraviolet tot zichtbaar licht tot infrarood; wanneer de hoeveelheid koperdotering 1% is, is de absorptie van infrarood licht het grootst. 1% en 5% met koper gedoteerde nanokristallen vertonen de hoogste temperatuurstijging (fotothermische eigenschappen); 1% kopergedoteerde kristallen vertonen ook de grootste waterverdampingsefficiëntie, namelijk ongeveer 1,0 kilogram per vierkante meter per uur. Structurele analyse van 1% kopergedoteerde nanokristallen onthulde dat koperionen de kristalstructuur van wolfraamoxide kunnen vervormen, waardoor de eigenschappen ontstaan die worden waargenomen wanneer licht wordt geabsorbeerd.
"Onze ontdekking markeert een grote vooruitgang in het ontwerp van nanokristallen die in staat zijn volledige zonne-energie te synthetiseren en te benutten", concludeerde Watanabe. "We hebben aangetoond dat koperdotering meerdere eigenschappen verleent aan nanokristallen van wolframaat door volledig gebruik van zonne-energie. Dit biedt een raamwerk voor verder onderzoek op dit gebied en de ontwikkeling van toepassingen."