(Izquierda) Un único nanocristal de ácido tungstico dopado con cobre; (derecha) Imagen de resolución atómica del nanocristal. Crédito: Melbert Jeem
El dopaje sistemático con cobre aumenta la utilización totalmente solar en nanocristales de ácido tungstico.
La luz del sol es una fuente inagotable de energía y el uso de la luz solar para generar electricidad es uno de los pilares de las energías renovables. Más del 40% de la luz solar que incide sobre la Tierra se encuentra en los espectros infrarrojo, visible y ultravioleta; sin embargo, la tecnología solar actual utiliza principalmente rayos visibles y ultravioleta. La tecnología para utilizar todo el espectro de la radiación solar (llamada utilización totalmente solar) está todavía en sus inicios.
Resultados de la encuesta de la Universidad de Hokkaido
Un equipo de investigadores de la Universidad de Hokkaido, dirigido por el profesor asistente Melbert Jeem y el profesor Seiichi Watanabe de la Facultad de Ingeniería, sintetizó materiales a base de ácido tungstico dopados con cobre que exhibieron utilización totalmente solar. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Materiales avanzados.
“Actualmente, los espectros de radiación solar del infrarrojo cercano y medio, que van desde 800 nm a 2.500 nm, no se utilizan para generar energía”, explica Jeem. «El ácido tungstico es un candidato para desarrollar nanomateriales que potencialmente puedan utilizar este espectro, ya que tiene una estructura cristalina con defectos que absorben estas longitudes de onda».
Un resumen de la absorción de luz relativa de los cristales de ácido tungstico que van desde la luz ultravioleta hasta la infrarroja. 1, 5 y 10 son las concentraciones de cobre que dan como resultado la optocriticidad de los nanocristales. Crédito: Melbert Jeem, et al. Materiales avanzados. 29 de julio de 2023
Metodología y Resultados
Los científicos utilizaron una técnica de fotofabricación que habían desarrollado previamente, la fotosíntesis de cristalitos sumergidos, para sintetizar nanocristales de ácido tungstico dopados con concentraciones variables de cobre. Se analizaron las estructuras y propiedades de absorción de luz de estos nanocristales; Se midieron sus características fototérmicas, de evaporación de agua fotoasistida y fotoelectroquímicas.
Los nanocristales de óxido de tungsteno dopados con cobre absorben la luz en todo el espectro, desde la luz ultravioleta, pasando por la luz visible, hasta la infrarroja; la cantidad de luz infrarroja absorbida fue mayor con un dopaje de cobre al 1%. Los nanocristales dopados con 1% y 5% de cobre exhibieron el mayor aumento de temperatura (característica fototérmica); Los cristales dopados con 1% de cobre también mostraron la mayor eficiencia de evaporación de agua, aproximadamente 1,0 kg por m2 por hora. El análisis estructural de nanocristales dopados con un 1% de cobre indicó que los iones de cobre pueden estar distorsionando la estructura cristalina del óxido de tungsteno, lo que lleva a las características observadas cuando se absorbe la luz.
Observaciones finales
«Nuestros hallazgos marcan un avance significativo en el desarrollo de nanocristalitos capaces de sintetizar y aprovechar plenamente la energía solar», concluye Watanabe. “Demostramos que el dopaje con cobre le da al nanocristal de ácido tungstico una variedad de características mediante la utilización total del sol. Esto proporciona un marco para futuras investigaciones en el área, así como para el desarrollo de aplicaciones”.
Referencia: “Fases optocríticas impulsadas por defectos ajustadas para uso totalmente solar” por Melbert Jeem, 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 parcialmente utilizando un sistema de supercomputadora en el centro de iniciativas de información de la Universidad de Hokkaido. Este trabajo se llevó a cabo en la Universidad de Hokkaido, con el apoyo de la Infraestructura de Investigación Avanzada para Materiales y Nanotecnología en Japón (ARIM) del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT).
