Солнечная энергия чистая и в изобилии. Но когда солнце не светит, вы должны хранить энергию в батареях или с помощью процесса, называемого фотокатализом, в котором солнечная энергия используется для производства топлива. При фотокаталитическом расщеплении воды солнечный свет разделяет воду на водород и кислород. Затем водород и кислород могут рекомбинироваться в топливном элементе для высвобождения энергии.
Теперь, согласно недавно опубликованной статье в Applied Physics Letters от AIP Publishing, новый класс материалов - галогенидные двойные перовскиты - может обладать свойствами, необходимыми для расщепления воды.
"Если мы сможем найти материал, который может быть полезен в качестве фотокатализатора, расщепляющего воду, то это будет огромным прорывом", - сказал Фелисиано Джустино, соавтор статьи.
Исследователи ранее экспериментировали со многими фотокаталитическими материалами, такими как диоксид титана (TiO2). Хотя TiO2 может использовать солнечный свет для расщепления воды, он неэффективен, поскольку плохо поглощает видимый свет. До сих пор фотокаталитический материал для общего расщепления воды не стал коммерчески доступным.
Используя суперкомпьютеры для расчета квантовых энергетических состояний четырех галогенидных двойных перовскитов, Джордж Волонакис и Джустино из Оксфордского университета обнаружили, что Cs2BiAgCl6 и Cs2BiAgBr6 являются многообещающими фотокаталитическими материалами, поскольку они поглощают видимый свет намного лучше, чем TiO2. Они также генерируют электроны и дырки (отсутствие положительно заряженных электронов), которые обладают достаточной энергией (или почти идеальной энергией), чтобы расщепить воду на водород и кислород.
Очень немногие другие материалы обладают всеми этими свойствами одновременно, сказал Джустино. «Мы не можем сказать, что это сработает наверняка, но эти соединения, похоже, обладают всеми нужными свойствами».
Джустино и его команда впервые обнаружили этот тип перовскита, когда искали материалы для изготовления солнечных элементов. За последние несколько лет перовскиты вызвали интерес как материалы для повышения эффективности солнечных элементов на основе кремния за счет тандемных конструкций, в которых перовскитный элемент интегрируется непосредственно в высокоэффективный кремниевый элемент, но они содержат небольшое количество свинца. Если бы они использовались для сбора энергии на солнечной ферме, свинец мог бы представлять потенциальную опасность для окружающей среды.
В 2016 году, используя компьютерное моделирование для определения альтернативных материалов, исследователи обнаружили новый тип бессвинцового перовскита с потенциалом для высокоэффективных солнечных элементов. В настоящей статье показано, что эти новые материалы могут также расщеплять воду. «Эти новые двойные перовскиты перспективны не только в качестве дополнительного материала для тандемных солнечных элементов, но и в таких областях, как фотокатализ», - сказал Волонакис.
Тем не менее, новый анализ является теоретическим, предполагая, что соединения образуют идеальные кристаллы. Следующий шаг, по словам авторов, заключается в том, чтобы экспериментаторы увидели, работает ли материал в реальном мире так, как это было предсказано. Тем временем исследователи используют свои вычислительные методы, чтобы выяснить, обладают ли эти двойные перовскиты свойствами, полезными для других приложений, таких как детекторы света.