Фотокатализ с использованием частиц в воде — перспективная технология получения топлива из солнечного света. Однако, чтобы производить такое солнечное топливо дешево и в большом количестве требуются полупроводники, которые хоть и эффективны, но подвержены коррозии.
Последнее достижение лаборатории Шу Ху, доцента кафедры химических и экологических технологий, позволяет решить эту проблему благодаря первому в своем роде покрытию. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Для систем расщепления воды (на водород и кислород) требуются полупроводниковые материалы с узкими запрещенными зонами (свойство, позволяющее поглощать больше солнечного света), которые эффективно преобразуют солнечную энергию в химическую. Хотя эти материалы легко могут поглощать солнечный свет, все они корродируют при облучении светом (самовосстановление или самоокисление). Более полувека ученые бились над решением этой проблемы. Стратегии защиты этих материалов, как правило, предполагали ограничение их способности разделять заряды отрицательных электронов и электронных дырок, процесс, необходимый для фотокатализа, но более труднодостижимый, чем для других систем, таких как солнечные элементы. Обычно специально разработанные для этих систем покрытия защищают только один из двух электродов системы (катод или анод), что ограничивает перенос либо электрона, либо дырки, но не обоих сразу.
“Занимаясь получением фотокатализатора нового типа для коэволюции двух реакций, мы знали, что нам нужно обеспечить перенос двух зарядов, генерируемых в светопоглощающем материале (фотопоглотитель), через покрытие, чтобы получить восстановительные и окислительные реакционные области на поверхности, в которых электроны либо, добавляются, либо удаляются”, — говорит Ху.
Тяньшуо Чжао, ведущий автор исследования, говорит, что создание покрытия, которое позволило бы протекать обеим реакциям, может стать огромны шагом вперед. Успешное решение этой задачи “на порядок повысило бы эффективность преобразования солнечной энергии в водород”.
“Мы разработали очень эффективную стратегию защиты узкозонных полупроводников, стабилизируя их в процессе фотореакций, что потребовало большего, чем предлагал традиционный подход”, — говорит доктор Чжао, научный сотрудник лаборатории Ху.
Ученые создали покрытие толщиной 3 нм Созданное в лаборатории Ху покрытие из оксида титана конформно инкапсулирует фотопоглотитель. Металлические наночастицы служат в качестве сокатализатора. Такая структура позволяет фотокатализатору одновременно участвовать в разных реакциях в зоне сокатализатора и на открытой поверхности покрытия. Система может быть быстро масштабирована и уже достигла рекордно высокой эффективности преобразования энергии 1,7% для узкозонных полупроводников, оставаясь стабильной более 150 часов, что намного дольше по сравнению с другими системами из аналогичных материалов.
“Сочетание покрытий и сокатализаторов обеспечивает отдельный перенос электронов и дырок через покрытие с минимальной рекомбинацией", — объясняет Ху. "Благодаря этому работают такие генераторы солнечного топлива на основе частиц”.
Источник: Yale University
