A luz solar é uma fonte inesgotável de energia e a utilização da luz solar para gerar eletricidade é um dos pilares da energia renovável. Mais de 40% da luz solar que incide sobre a Terra pertence ao espectro infravermelho, visível e ultravioleta; no entanto, a tecnologia solar atual utiliza principalmente luz visível e ultravioleta. As tecnologias que aproveitam todo o espectro da radiação solar, conhecida como energia solar total, ainda estão na sua infância.
(Esquerda) Nanocristal único de ácido túngstico dopado com cobre; (à direita) Imagem de resolução atômica do nanocristal.
Uma equipe de pesquisa liderada pelos professores assistentes Melbert Jeem e pelo professor Seiichi Watanabe da Faculdade de Engenharia da Universidade de Hokkaido sintetizou um material à base de tungstato dopado com cobre com utilização total da energia solar. Suas descobertas foram publicadas recentemente na revista Advanced Materials.
Jeem explica: "Atualmente, o espectro infravermelho próximo e médio da radiação solar (800nm a 2500nm) não tem sido usado para gerar eletricidade. O ácido tungstico é um candidato para o desenvolvimento de nanomateriais que podem explorar esse espectro porque possui uma estrutura cristalina com defeitos que absorvem esses comprimentos de onda. "
Resumo da absorção relativa de luz dos cristais de tungstato, da luz UV à infravermelha. 1, 5 e 10 são as concentrações de cobre que fazem com que os nanocristais se tornem fotocríticos. Crédito da imagem: MelbertJeem et al. Materiais avançados. 29 de julho de 2023
Os cientistas usaram uma técnica de fotofabricação desenvolvida anteriormente, a fotossíntese subaquática de microcristais, para sintetizar nanocristais de tungstato dopados com concentrações variadas de cobre. A estrutura e as propriedades de absorção de luz desses nanocristais foram analisadas; suas propriedades fototérmicas, de evaporação de água fotoassistida e fotoeletroquímicas foram medidas.
Os nanocristais de óxido de tungstênio dopados com cobre absorvem todo o espectro de luz, do ultravioleta à luz visível e ao infravermelho; quando a quantidade de dopagem de cobre é de 1%, a absorção de luz infravermelha é maior. Nanocristais dopados com cobre a 1% e 5% apresentam o maior aumento de temperatura (propriedades fototérmicas); Cristais dopados com 1% de cobre também apresentam a maior eficiência de evaporação de água, que é de aproximadamente 1,0 quilograma por metro quadrado por hora. A análise estrutural de nanocristais dopados com cobre a 1% revelou que os íons de cobre podem distorcer a estrutura cristalina do óxido de tungstênio, causando as propriedades observadas quando a luz é absorvida.
“Nossa descoberta marca um grande avanço no projeto de nanocristais capazes de sintetizar e aproveitar a energia solar total”, concluiu Watanabe. "Demonstramos que a dopagem de cobre confere múltiplas propriedades aos nanocristais de tungstato através da utilização total da energia solar. Isto fornece uma estrutura para futuras pesquisas nesta área e o desenvolvimento de aplicações."