Plasmoniset TiO2-ohutkalvorakenteet aurinkopolttoaineiden tuotannossa

Abstract

Veden hajottaminen on tapa tuottaa auringonvalon avulla vetyä hajottamalla vettä hapeksi ja vedyksi. Vety on lupaava polttoaine korvaamaan fossiilisia polttoaineita, joiden polttamisessa vapautuva hiilidioksidi aiheuttaa ilmastonmuutosta. Titaanidioksidi on sopiva materiaali veden hajottamiseen, koska se on tarpeeksi halpa, termisesti vakaa, eikä se ole myrkyllinen. Kuitenkin titaanidioksidin suuri vyöaukko rajoittaa sen absorboiman valon UV-alueelle. Tähän esitetään ratkaisuna jalometallirakenteiden käyttämistä yhdessä titaanidioksidin kanssa. Valo virittää jalometalleihin plasmonitiloja, jotka voivat siirtää varauksen titaanidioksidiin synnyttäen elektroneita ja aukkoja, joita tarvitaan veden hajottamisen reaktioissa. Varaus voi siirtyä injektiomekanismilla, jossa elektronit ylittävät Schottky-muurin tai plasmonisella resonanssilla, jossa pelkkä energia siirtyy virittäen elektroneja titaanidioksidissa. Sähkökenttien vahvistaminen ja fotonien siroaminen aiheuttavat varauksen siirtymistä. Tässä työssä tarkastellaan kirjallisuuden pohjalta plasmonisten rakenteiden käyttöä titaanidioksidirakenteissa ja tapoja, joilla nämä rakenteet parantavat veden hajottamisen tehokkuutta sekä tutustutaan kirjallisuudessa esitettyihin mahdollisiin rakenteisiin, joilla veden hajottamisen tehokkuutta saataisiin paremmaksi. Tässä työssä perehdytään siihen, miten muun muassa plasmonisten nanorakenteiden koko, muoto ja asettelu vaikuttavat veden hajottamisen tehokkuuteen. Nanohiukkasten koon pienentäminen parantaa veden hajottamisen tehokkuutta. Kuutiomaiset ja sauvamaiset nanorakenteet ovat tehokkaampia kuin pyöreät muodot. Optimoimalla nanohiukkasten etäisyys toisiinsa, plasmonisen metallin etäisyys titaanidioksidiin sekä plasmonisen metallin ja titaanidioksidin pinta-alat voitaisiin suunnitella tehokkaampia systeemeitä veden hajottamiseen. Lisäksi hyötysuhdetta voidaan parantaa rakenteilla, joilla valoa voidaan vangita siten, että valon fotonit vuorovaikuttavat materiaalin kanssa useasti, jolloin saadaan parannettua veden hajottamisen tehokkuutta. Tehokkuutta voidaan myös parantaa käyttämällä useampaa plasmonista metallia samassa rakenteessa tai muodostamalla kolmiulotteisia rakenteita.