اختراق البلورات النانوية يحول تحويل ضوء الأشعة تحت الحمراء

(يسار) بلورة نانوية من حمض التنجستيك المطلي بالنحاس؛ (يمين) صورة الدقة الذرية للبلورة النانوية. الائتمان: ميلبرت جيم

المنشطات المنهجية للنحاس تعزز استخدام الطاقة الشمسية بالكامل في التنغستيك حامض بلورات نانوية.

ضوء الشمس هو مصدر للطاقة لا ينضب، واستخدام ضوء الشمس لتوليد الكهرباء هو أحد الركائز الأساسية للطاقة المتجددة. أكثر من 40% من ضوء الشمس الذي يسقط على الأرض يقع في أطياف الأشعة تحت الحمراء والمرئية والأشعة فوق البنفسجية؛ ومع ذلك، تستخدم تكنولوجيا الطاقة الشمسية الحالية في المقام الأول الأشعة المرئية والأشعة فوق البنفسجية. لا تزال تكنولوجيا الاستفادة من الطيف الكامل للإشعاع الشمسي – والتي تسمى الاستخدام الشامل للطاقة الشمسية – في مهدها.

نتائج البحوث من جامعة هوكايدو

فريق من الباحثين من جامعة هوكايدوقام فريق من الباحثين بقيادة البروفيسور المساعد ميلبرت جيم والبروفيسور سييتشي واتانابي في كلية الهندسة بتصنيع مواد قائمة على حمض التنغستيك مشبعة بالنحاس والتي أظهرت استخدامًا كاملاً للطاقة الشمسية. وقد نشرت النتائج التي توصلوا إليها مؤخرا في المجلة مواد متطورة.

يوضح جيم: “في الوقت الحالي، لا يتم استخدام أطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة من الإشعاع الشمسي، والتي تتراوح من 800 نانومتر إلى 2500 نانومتر، لتوليد الطاقة”. “حمض التنغستيك هو مرشح لتطوير مواد نانوية يمكنها الاستفادة من هذا الطيف، لأنه يمتلك بنية بلورية بها عيوب تمتص هذه الأطوال الموجية.”

امتصاص الضوء النسبي الموجز لبلورات حمض التنغستيك يتراوح من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء. 1 و5 و10 هي تركيزات النحاس التي تؤدي إلى الحرجية البصرية للبلورات النانوية. الائتمان: ميلبرت جيم، وآخرون. مواد متطورة. 29 يوليو 2023

المنهجية والنتائج

استخدم العلماء تقنية تصنيع الصور التي سبق لهم تطويرها، وهي عملية التوليف الضوئي المغمور للبلورات، لتصنيع بلورات نانوية من حمض التنغستيك مشبعة بتركيزات مختلفة من النحاس. وقد تم تحليل الهياكل وخصائص امتصاص الضوء لهذه البلورات النانوية؛ وتم قياس خصائصها الحرارية الضوئية، وتبخر الماء بمساعدة الصور، وخصائصها الكهروكيميائية الضوئية.

تمتص البلورات النانوية لأكسيد التنغستن المطلي بالنحاس الضوء عبر الطيف، من الأشعة فوق البنفسجية إلى الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء؛ كانت كمية ضوء الأشعة تحت الحمراء الممتصة أكبر عند 1٪ منشطات النحاس. أظهرت البلورات النانوية المطلية بالنحاس بنسبة 1% و5% أعلى ارتفاع في درجة الحرارة (الخاصية الحرارية الضوئية)؛ كما أظهرت البلورات المطلية بالنحاس بنسبة 1% أعلى كفاءة في تبخر الماء، بحوالي 1.0 كجم لكل متر مربع في الساعة. أشار التحليل الهيكلي للبلورات النانوية المطلية بالنحاس بنسبة 1% إلى أن أيونات النحاس قد تشوه البنية البلورية لأكسيد التنغستن، مما يؤدي إلى الخصائص الملحوظة عند امتصاص الضوء.

ملاحظات ختامية

ويختتم واتانابي قائلًا: “تمثل اكتشافاتنا تقدمًا كبيرًا في التقدم في تصميم البلورات النانوية القادرة على تصنيع وتسخير الطاقة الشمسية بالكامل”. “لقد أثبتنا أن المنشطات النحاسية تمنح البلورات النانوية لحمض التنغستن مجموعة متنوعة من الخصائص من خلال استخدام الطاقة الشمسية بالكامل. وهذا يوفر إطارًا لمزيد من البحث في هذا المجال وكذلك لتطوير التطبيقات.

المرجع: “المراحل البصرية الحرجة التي تعاني من عيوب تم ضبطها لاستخدام الطاقة الشمسية بالكامل” بقلم ميلبرت جيم، وأياكا هايانو، وهيروتو مياشيتا، وماهيرو نيشيمورا، وكوهي فوكوروي، وهسوه-آي لين، وليهوا تشانغ، وسييتشي واتانابي، 29 يوليو 2023، مواد متطورة.
دوى: 10.1002/adma.202305494

تم دعم هذا العمل من قبل الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (JSPS) KAKENHI (20H00295، 21K04823). تم إنجاز هذا العمل جزئيًا من خلال نظام كمبيوتر فائق السرعة في مركز مبادرة المعلومات بجامعة هوكايدو. تم إجراء هذا العمل في جامعة هوكايدو، بدعم من البنية التحتية للأبحاث المتقدمة للمواد وتكنولوجيا النانو في اليابان (ARIM) التابعة لوزارة التعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا (MEXT).