Водород - это альтернативный источник энергии, который можно производить из возобновляемых источников солнечного света и воды. Группа японских исследователей разработала фотокатализатор, который увеличивает производство водорода в десять раз.
Открытие было сделано совместной исследовательской группой под руководством доцента ТАЧИКАВА Такаши (Исследовательский центр молекулярной фотографии, Университет Кобе) и профессора МАДЖИМА Тетсуро (Институт научных и промышленных исследований, Университет Осаки). Их выводы были опубликованы 6 апреля в онлайн-версии Angewandte Chemie International Edition..
При воздействии света на фотокатализаторы на поверхности катализатора образуются электроны и дырки, а водород получается, когда эти электроны восстанавливают ионы водорода в воде. Однако в традиционных фотокатализаторах дырки, образующиеся одновременно с электронами, в основном рекомбинируют на поверхности катализатора и исчезают, что затрудняет повышение эффективности преобразования.
Исследовательская группа профессора Тачикавы разработала фотокатализатор из мезокристалла, преднамеренно создав неоднородность по размеру и расположению кристаллов. Этот новый фотокатализатор способен пространственно разделять электроны и электронные дырки, чтобы предотвратить их рекомбинацию. В результате он имеет гораздо более эффективную скорость преобразования для производства водорода, чем обычные фотокатализаторы с наночастицами (приблизительно 7%).
Команда разработала новый метод под названием «Топотаксический эпитаксиальный рост», который использует пространства нанометрового размера в мезокристаллах. На основе этого метода синтеза они смогли синтезировать титанат стронция (SrTiO3) из соединения с другой структурой, оксида титана (TiO2), используя простую одностадийную гидротермальную реакцию. Увеличивая время реакции, они также могли выращивать более крупные частицы вблизи поверхности, сохраняя при этом свою кристаллическую структуру..
Когда они прикрепили сокатализатор к синтезированному мезокристаллу и облучили воду ультрафиолетовым светом, реакция произошла с эффективностью преобразования световой энергии примерно 7%. В тех же условиях наночастицы SrTiO3, которые не были преобразованы в мезокристаллы, достигли эффективности преобразования менее 1%, что доказывает десятикратное увеличение эффективности реакции в мезокристаллической структуре. Когда каждая частица была исследована под флуоресцентным микроскопом, команда обнаружила, что электроны, образовавшиеся во время реакции, собираются вокруг более крупных нанокристаллов.
Под воздействием ультрафиолетового света электроны в этом недавно разработанном фотокатализаторе плавно перемещаются между наночастицами внутри мезокристалла, собираются вокруг более крупных нанокристаллов, образовавшихся на поверхности кристалла, и эффективно восстанавливают ионы водорода, создавая водород..
Открытие этого мощного фотокатализатора началось с идеи исследователей «преднамеренно разрушить упорядоченную структуру мезокристаллов», концепция, которая может быть применена к другим материалам. Используемый на этот раз титанат стронция представляет собой кубический кристалл, что означает отсутствие различий в молекулярной адсорбции или силе реакции для каждой плоскости кристалла. Регулируя размер и пространственное расположение нанокристаллов, образующих строительные блоки этой структуры, можно значительно повысить эффективность преобразования световой энергии в существующей системе.
Используя эти результаты, исследовательская группа планирует применить технологию мезокристаллов для реализации сверхэффективного производства водорода из солнечной энергии. Перовскитные оксиды металлов, в том числе титанат стронция, являющиеся объектом данного исследования, являются основными материалами электронных элементов, поэтому их результаты могут быть применены в самых разных областях.