能源效率

电子能量分布测量改善存储,转换

密歇根大学大学的研究人员,英国利物浦大学都讨论了一种方法来测量金属纳米结构中存在多少热量载体,以改善能量储存和转化。

由凯特麦艾尔派恩 2020年6月25日
热电子沿分子行进到探针尖端。该分子仅允许电子在狭窄的能量范围内通过。信贷:恩克利恩克雷斯

回答一个问题至关重要的技术,如能量转换,这是一个研究人员密歇根大学普渡大学,利物浦大学在英国已经找到了一种方法来测量有多少“热载流子”——例如,在金属纳米结构中存在着具有额外能量的电子。

“例如,如果您想要使用光将水分成氢气和氧气,则可以使用热电载流子,因为更精力充沛的电子可以更容易地参与反应并更快地驱动反应。这是能源转换或储存应用中的热载波中的一种可能使用,“U-M机械工程教授Edgar Meyhofer表示,他联合研究了研究。

弗拉基米尔Shalaev是一位电气电脑工程教授,带来了普渡的贡献。该发现还确认,使用用于产生热电载流子的光更有效地在更有效的金属。光可以在金银等材料表面上驱动电子的运动,产生称为表面等离子体的波。反过来,这些波可以产生热电载流子。

研究人员比较了室温下电荷载流子能量在空气中的通常分布:空气中的分子并不都具有相同的能量——它们的平均能量是由温度反映的。在材料中,带负电荷的电子和带正电荷的空穴的能量通常遵循类似的分布。但在支持表面等离子体的材料中,光可以被用来给某些载流子提供额外的能量,尽管这种材料的温度要高得多——超过2000华氏度。

该研究小组通过将激光照射到只有13纳米厚的黄金薄膜(大约100个金原子那么厚)上来制造热载流子,薄膜上有微小的脊线间距,以便与激光共振并产生表面等离子体波。然后,他们将载流子通过“看门人”分子引入金电极(扫描隧道显微镜的尖端),从而测量载流子的能量。

实验的关键是那些由利物浦团队和私营公司合成的网守分子。分子仅允许电荷载流子与某些能量通过。通过用不同分子重复实验,研究人员弄清了电荷载体的能量分布。

“电子可以被认为是在高速公路上以不同速度运行的汽车。该分子的作用类似于操作员 - 它只允许以一定的速度行驶的汽车通过,“梅耶勒群组博士后的博士王说。

研究人员还将其与棱镜进行比较,该棱镜将电子能量的光谱与光线分开。王花了18多个月与普渡大学电气和计算机工程中的博士学生,博士学生合作,有关如何使这个想法的作用。

“这种分子过滤器的想法在过去没有其他人在该领域实现的,”在Shalaev的实验室工作的Reddy说。

一旦他们开发出了一种成功的方法,Wang和Reddy用第二个金结构重复了实验,这个大约6纳米厚。这种结构产生热载流子的效率比13纳米版本更高。

“这项多学科基础研究的努力为测量载流子能量提供了一种独特的方法。这些结果预计将在未来发展能源转换和光催化和光探测器的应用中发挥关键作用,例如,这些都是国防部非常感兴趣的。”该团队的多学科大学研究计划的项目经理,由陆军研究办公室资助。

随着该方法现已证明,该团队认为其他人可以使用它来探索和优化纳米结构。这在诸如将阳光转换为化学能的应用中是重要的,因为热电荷载体的数量会影响催化剂可以将光能引向化学反应的程度。

-副主编克里斯·瓦夫拉编辑,控制工程,CFE媒体和技术,cvavra@cfemedia.com.


凯特麦艾尔派恩
作者简介:Kate McAlpine,资深作家和助理新闻编辑,密歇根大学