Nanocristais com infusão de cobre aumentam a conversão de luz infravermelha

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 está nos espectros infravermelho, visível e ultravioleta; no entanto, a tecnologia solar atual utiliza principalmente raios visíveis e ultravioleta. A tecnologia para utilizar todo o espectro da radiação solar – chamada utilização totalmente solar – ainda está na sua infância.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Hokkaido, liderada pelo professor assistente Melbert Jeem e pelo professor Seiichi Watanabe da Faculdade de Engenharia, sintetizou materiais à base de ácido túngstico dopados com cobre que exibiram utilização totalmente solar. Suas descobertas são publicadas na revista Materiais avançados.

“Atualmente, os espectros de radiação solar no infravermelho próximo e médio, variando de 800 nm a 2.500 nm, não são utilizados para geração de energia”, explica Jeem. “O ácido túngstico é um candidato ao desenvolvimento de nanomateriais que podem potencialmente utilizar esse espectro, pois possui uma estrutura cristalina com defeitos que absorvem esses comprimentos de onda.”

A equipe usou uma técnica de fotofabricação desenvolvida anteriormente, fotossíntese submersa de cristalitos, para sintetizar nanocristais de ácido túngstico dopados com concentrações variadas de cobre. As estruturas e propriedades de absorção de luz desses nanocristais foram analisadas; suas características fototérmicas, de evaporação de água fotoassistida e fotoeletroquímicas foram medidas.

Os nanocristais de óxido de tungstênio dopados com cobre absorvem luz em todo o espectro, do ultravioleta, passando pela luz visível, até o infravermelho; a quantidade de luz infravermelha absorvida foi maior com dopagem de cobre a 1%. Nanocristais dopados com cobre a 1% e 5% exibiram a maior elevação de temperatura (característica fototérmica); Cristais dopados com 1% de cobre também exibiram a maior eficácia de evaporação de água, aproximadamente 1,0 kg por m² por hora. A análise estrutural dos nanocristais dopados com cobre a 1% indicou que os íons de cobre podem estar distorcendo a estrutura cristalina do óxido de tungstênio, levando às características observadas quando a luz é absorvida.

“Nossas descobertas marcam um avanço significativo no desenvolvimento de nanocristalitos capazes de sintetizar e aproveitar toda a energia solar”, conclui Watanabe. “Demonstramos que a dopagem de cobre confere ao nanocristal de ácido túngstico uma variedade de características por meio da utilização totalmente solar. Isso fornece uma estrutura para pesquisas futuras no campo, bem como para o desenvolvimento de aplicações.”