La conversión de la energía solar es un área de gran impacto para las nanotecnologías. Se utilizan varias técnicas espectroscópicas para estudiar las propiedades y aplicaciones de las nanopartículas. Investigadores de China han publicado recientemente un artículo sobre las nanopartículas de telurio para la conversión de la energía solar. Emplean la espectroscopia Raman, la espectroscopia de absorción UV-VIS y la espectroscopia de dispersión en campo oscuro para comprender las propiedades de las partículas. La investigación se presenta en Laser Focus World con el artículo que aparece a continuación:

Durante al menos la última década, las tecnologías «termosolares», en las que se utiliza la luz del sol para convertir el agua en vapor que haga funcionar las turbinas eléctricas o realice la desalinización, han sido muy apreciadas por la comunidad inversora. Hace unos seis años, las nanopartículas empezaron a entrar en el juego de la termosolar cuando los investigadores de la Universidad de Rice añadieron algunas nanopartículas al agua fría y fueron capaces de producir vapor cuando expusieron la combinación a la luz solar.

Desde entonces, muchos trabajos en lo que ahora se denomina conversión fototérmica se han dirigido al campo de la plasmónica, que aprovecha la onda de electrones que se produce cuando los fotones inciden en una superficie metálica. Sin embargo, producir nanoestructuras plasmónicas no es tan sencillo como añadir unas nanopartículas al agua.

Ahora, unos investigadores chinos han combinado la facilidad de añadir nanopartículas al agua con la plasmónica para crear un proceso de conversión fototérmica que supera todas las nanopartículas plasmónicas o dieléctricas de las que se había informado anteriormente. Los investigadores de la Universidad Sun Yat-sen (Guangzhou, China) han demostrado en la revista Science Advances lo que, según ellos, es el primer material que tiene simultáneamente propiedades plasmónicas y totalmente dieléctricas cuando se expone a la luz solar.

La clave para lograr esta combinación es el uso de nanopartículas de telurio (Te), que tienen una dualidad óptica única, según G. W. Yang, profesor de la Universidad Sun Yat-sen y coautor de la investigación.

Al dispersar estas nanopartículas en el agua, la velocidad de evaporación del agua se multiplica por tres bajo la radiación solar. Esto permite aumentar la temperatura del agua de 29 a 85 grados centígrados en 100 segundos.

«Las nanopartículas de Te se comportan como una nanopartícula plasmónica cuando es menor de 120 nanómetros [nm] y luego como una nanopartícula totalmente dieléctrica de alto índice cuando esas nanopartículas son mayores de 120 nm», dijo Yang. Las nanopartículas de Te son capaces de lograr esta dualidad porque tienen una amplia distribución de tamaños (de 10 a 300 nm). Esta absorción mejorada puede cubrir todo el espectro de la radiación solar.

Otra propiedad de la nanopartícula de Te es que, cuando es excitada por la luz solar, la energía de excitación se transfiere por completo a los portadores (electrones y huecos). Esto empuja a los portadores fuera del equilibrio y a estados especiales de impulso con temperaturas más altas».

Yang explica que, a medida que el sistema evoluciona hacia el equilibrio, estos portadores se relajan. A medida que los portadores se dispersan, se produce un fenómeno conocido como termalización de Coulomb, que forma un gas caliente de portadores termalizados que se acoplan con los fonones y transfieren su exceso de energía a la red. El resultado es el calentamiento eficaz de las nanopartículas de Te.

Para que este enfoque funcione para la desalinización comercial, Yang reconoce que el método actual de producción de las nanopartículas de Te con ablación láser de nanosegundos en líquido es limitado. «Ahora estamos intentando preparar las nanopartículas de Te por otros métodos», añadió. Pero como las nanopartículas de Te tienen una dualidad óptica única, Yang prevé otras aplicaciones para esta tecnología. «Queremos aplicarlas en sensores o nanoantenas», dijo.

El resumen del artículo publicado en Science Advances detalla los resultados de la investigación:

Se necesitan urgentemente materiales nanofotónicos para la captación de energía solar y la conversión fototérmica con el fin de aliviar la crisis energética mundial. Demostramos que un absorbente de banda ancha hecho de nanopartículas de telurio (Te) con una amplia distribución de tamaños puede absorber más del 85% de la radiación solar en todo el espectro. La temperatura del absorbente irradiado por la luz solar puede aumentar de 29° a 85°C en 100 s. Al dispersar las nanopartículas de Te en el agua, la tasa de evaporación del agua mejora tres veces bajo una radiación solar de 78,9 mW/cm2. Esta conversión fototérmica supera la de las nanopartículas plasmónicas o totalmente dieléctricas de las que se ha informado anteriormente. También establecemos que la permitividad única del Te es responsable del alto rendimiento. La parte real de la permitividad experimenta una transición de negativa a positiva en la región ultravioleta-visible-infrarroja cercana, lo que dota a las nanopartículas de Te de la dualidad plasmónica y totalmente dieléctrica. La absorción total cubre todo el espectro de la radiación solar debido a la mejora de las resonancias de tipo plasmónico y de tipo Mie. Es el primer material del que se tiene constancia que posee simultáneamente propiedades plasmónicas y totalmente dieléctricas en la región de la radiación solar. Estos resultados sugieren que la nanopartícula de Te puede ser un material avanzado de conversión fototérmica para la evaporación de agua con energía solar.

FUENTE:

IEEE; https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/nanoparticles-take-solar-desalination-to-new-heights

 

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