mayo 25, 2024

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La penetración de nanocristales transforma la conversión de luz infrarroja

La penetración de nanocristales transforma la conversión de luz infrarroja

(Izquierda) Nanocristal de ácido tungstico recubierto de Cu; (Derecha) Imagen de resolución atómica del nanocristal. Crédito: Milbert Jim

El dopaje sistemático del cobre mejora el pleno aprovechamiento de la energía solar en el tungsteno agrio Nanocristales.

La luz del sol es una fuente inagotable de energía y utilizar la luz solar para generar electricidad es una de las piedras angulares de las energías renovables. Más del 40% de la luz solar que incide sobre la Tierra lo hace en los espectros infrarrojo, visible y ultravioleta; Sin embargo, la tecnología solar actual utiliza principalmente rayos visibles y ultravioleta. La tecnología para aprovechar todo el espectro de la radiación solar (llamada utilización pansolar) está todavía en su infancia.

Resultados de la investigación de la Universidad de Hokkaido

Un equipo de investigadores de Universidad de HokkaidoUn equipo de investigadores dirigido por el profesor asociado Milbert Geim y el profesor Seiichi Watanabe en la Escuela de Ingeniería ha sintetizado materiales a base de ácido tungstico dopados con cobre que han demostrado la plena utilización de la energía solar. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Materiales avanzados.

“Actualmente, los espectros de radiación solar del infrarrojo cercano y medio, que oscilan entre 800 nm y 2500 nm, no se utilizan para generar energía”, explica Jim. “El ácido tungstico es un candidato para desarrollar nanomateriales que puedan aprovechar este espectro, porque tiene una estructura cristalina con defectos que absorben estas longitudes de onda”.

Absorción relativa de luz de nanocristales de ácido tungstico.

La absorción de luz relativa resumida de los cristales de ácido tungstico varía desde ultravioleta hasta infrarrojo. 1, 5 y 10 son las concentraciones de Cu que conducen a la criticidad óptica de los nanocristales. Crédito: Milbert Jim, et al. Materiales avanzados. 29 de julio de 2023

Metodología y resultados

Los científicos utilizaron una técnica de fotosíntesis que habían desarrollado previamente, la fotosíntesis de cristales sumergidos, para fabricar nanocristales de ácido tungstico impregnados con diferentes concentraciones de cobre. Se analizaron las estructuras y propiedades de absorción de luz de estos nanocristales; Se midieron sus propiedades fototérmicas, de evaporación de agua fotoasistida y fotoelectroquímicas.

Los nanocristales de óxido de tungsteno recubiertos de cobre absorben la luz en todo el espectro, desde la luz ultravioleta hasta la luz visible y la infrarroja; La cantidad de luz infrarroja absorbida fue mayor con un dopaje de cobre del 1%. Los nanocristales recubiertos con 1% y 5% de Cu mostraron el mayor aumento de temperatura (propiedad fototérmica); Los cristales recubiertos de cobre al 1% también mostraron la mayor eficiencia de evaporación de agua, aproximadamente 1,0 kg por metro cuadrado por hora. El análisis estructural de nanocristales recubiertos de cobre al 1% indicó que los iones de cobre pueden distorsionar la estructura cristalina del óxido de tungsteno, lo que da como resultado las propiedades de absorción de luz observadas.

Observaciones finales

«Nuestros descubrimientos representan un avance importante en el diseño de nanocristales capaces de fabricar y aprovechar plenamente la energía solar», concluye Watanabe. «Hemos demostrado que el dopaje con cobre confiere a los nanocristales de ácido de tungsteno una variedad de propiedades al utilizar plenamente la energía solar. Esto proporciona un marco para futuras investigaciones en esta área, así como para el desarrollo de aplicaciones».

Referencia: “Etapas críticas ópticas libres de defectos ajustadas para utilizar plenamente la energía solar” por Milbert Jim, Ayaka Hayano, Hiroto Miyashita, Mahiro Nishimura, Kohei Fukuroi, Hsueh-I Lin, Lihua Zhang y Seiichi Watanabe, 29 de julio de 2023, Materiales avanzados.
doi: 10.1002/adma.202305494

Este trabajo fue apoyado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) KAKENHI (20H00295, 21K04823). Este trabajo se realizó en parte mediante un sistema informático de alta velocidad en el Centro de Iniciativa de Información de la Universidad de Hokkaido. Este trabajo se realizó en la Universidad de Hokkaido, con el apoyo de la Infraestructura de Investigación Avanzada para Materiales y Nanotecnología de Japón (ARIM) del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT).

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