Das von der Erde empfangene Sonnenlicht ist eine Mischung aus Wellenlängen, die von Ultraviolett über sichtbar bis Infrarot reichen. Jede Wellenlänge trägt inhärente Energie in sich, die, wenn sie effektiv genutzt wird, ein großes Potenzial birgt, die solare Wasserstoffproduktion zu erleichtern und die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energiequellen zu verringern. Dennoch stoßen bestehende solare Wasserstoffproduktionstechnologien auf Einschränkungen bei der Absorption von Licht in diesem breiten Spektrum und können insbesondere nicht das Potenzial der Lichtenergie im nahen Infrarot (NIR) nutzen, die die Erde erreicht.
Neuere Forschungen haben ergeben, dass sowohl Au- als auch Cu7S4-Nanostrukturen eine charakteristische optische Eigenschaft aufweisen, die als lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) bekannt ist.
Es kann präzise eingestellt werden, um Wellenlängen vom sichtbaren bis zum NIR-Spektrum zu absorbieren. Ein Forscherteam unter der Leitung von Associate Professor Tso-Fu Mark Chang und Dozent Chun-Yi Chen vom Tokyo Institute of Technology sowie Professor Yung-Jung Hsu von der National Yang Ming Chiao Tung University nutzte diese Möglichkeit und entwickelte ein innovatives Au@ Cu7S4 yolk@shell-Nanokristall, der bei Einwirkung von sichtbarem und NIR-Licht Wasserstoff erzeugen kann.
Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Naturkommunikation.
„Wir haben festgestellt, dass die Produktion von Wasserstoff mit breitem Spektrum als potenzielle grüne Energiequelle in den letzten Tagen an Bedeutung gewonnen hat. Gleichzeitig haben wir festgestellt, dass derzeit nicht viele Optionen für Photokatalysatoren verfügbar sind, die auf NIR-Bestrahlung reagieren können“, sagen wir Hsu und Dr. Chang. „Deshalb haben wir beschlossen, eine zu schaffen, indem wir zwei vielversprechende Nanostrukturen, nämlich Au und Cu7S4, mit maßgeschneiderten LSPR-Merkmalen kombinieren.“
Das Forschungsteam nutzte eine Ionenaustauschreaktion zur Synthese von Au@Cu7S4-Nanokristallen, die anschließend mithilfe hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenabsorptionsspektroskopie und transienter Absorptionsspektroskopie analysiert wurden, um die strukturellen und optischen Eigenschaften zu untersuchen.
Diese Untersuchungen bestätigten, dass Au@Cu7S4 eine Dotter@Schale-Nanostruktur aufweist, die über dual-plasmonische optische Eigenschaften verfügt. Darüber hinaus zeigten ultraschnelle Spektroskopiedaten, dass Au@Cu7S4 langlebige Ladungstrennungszustände beibehält, wenn es sowohl sichtbarem als auch NIR-Licht ausgesetzt wird, was sein Potenzial für eine effiziente Umwandlung von Sonnenenergie unterstreicht.
Das Forschungsteam entdeckte, dass die den Au@Cu7S4-Nanokristallen innewohnenden Yolk@Shell-Nanostrukturen ihre photokatalytischen Fähigkeiten deutlich verbesserten.
„Der begrenzte Raum innerhalb der Hohlschale verbesserte die molekulare Diffusionskinetik und verstärkte dadurch die Wechselwirkungen zwischen reaktiven Spezies. Darüber hinaus spielte die Beweglichkeit der Eigelbpartikel eine entscheidende Rolle bei der Schaffung einer homogenen Reaktionsumgebung, da sie in der Lage waren, die Reaktionslösung effektiv zu bewegen.“ „, erklärt Dr. Chen.
Damit erreichte dieser innovative Photokatalysator eine Spitzenquantenausbeute von 9,4 % im sichtbaren Bereich (500 nm) und eine rekordverdächtige Quantenausbeute von 7,3 % im NIR-Bereich (2200 nm) für die Wasserstoffproduktion. Anders als herkömmliche photokatalytische Systeme macht dieser neuartige Ansatz die Notwendigkeit von Cokatalysatoren zur Verbesserung der Wasserstoffproduktionsreaktionen überflüssig.
Insgesamt stellt die Studie eine nachhaltige photokatalytische Plattform für die Erzeugung von Solarkraftstoffen vor, die sich durch bemerkenswerte Fähigkeiten zur Wasserstoffproduktion und Empfindlichkeit gegenüber einem breiten Lichtspektrum auszeichnet. Es zeigt das Potenzial der Nutzung der LSPR-Eigenschaften von Au und Cu7S4 für die effektive Erfassung bisher ungenutzter NIR-Energie.
„Wir sind optimistisch, dass unsere Ergebnisse weitere Untersuchungen zur Optimierung der LSPR-Eigenschaften von selbstdotierten, nichtstöchiometrischen Halbleitern anregen werden, mit dem Ziel, Photokatalysatoren zu entwickeln, die über ein breites Spektrum für eine Vielzahl von solarbetriebenen Anwendungen reagieren“, schließen Dr. Hsu und Dr. Chang.
Mehr Informationen:
Chun-Wen Tsao et al., Dual-plasmonische Au@Cu7S4-Yolk@Shell-Nanokristalle für die photokatalytische Wasserstoffproduktion im sichtbaren bis nahen Infrarot-Spektralbereich, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-023-44664-3