В связи с растущими глобальными опасениями по поводу состояния нашей планеты, совершенствование технологии производства альтернативной энергии стало горячей темой среди исследователей во всем мире. Среди многих изучаемых методов получения чистой энергии расщепление воды является очень многообещающим. В частности, вода (H2O) может быть расщеплена для получения диводорода (H2) с использованием солнечной энергии; это известно как фотоэлектрохимическое расщепление воды. Диводород можно использовать в качестве чистого топлива для других машин или для выработки электроэнергии, а это означает, что совершенствование наших методов разделения воды является гарантированным способом сокращения выбросов углерода и смягчения последствий глобального потепления.
Как работает фотоэлектрохимическое расщепление воды? Короче говоря, один из способов сделать это - использовать определенный тип полупроводникового материала, который называется фотоанодом, и подключить его к источнику небольшого напряжения и металлической проволоке, которая действует как катод. Под воздействием солнечного света вода разделяется на составляющие ее атомы на этих двух концах; составные атомы рекомбинируют с образованием полезного H2 и O2 в качестве побочного продукта. Важнейшим шагом здесь является поиск стабильных, высокоэффективных материалов для фотоанода, потому что подстадия окисления, которая включает образование O2, является самой сложной..
К сожалению, большинство исследований было сосредоточено на классе фотоанодов, называемых оксинитридами, которые страдают нестабильностью и относительно быстро деградируют, поскольку склонны к окислению при освещении светом. Чтобы решить эту проблему, группа исследователей из Технологического института Токио под руководством профессора Казухико Маэда вместо этого сосредоточилась на другом типе фотоанодного материала - оксифториде с химической формулой Pb2Ti 2O54F1.2 Это соединение не подвержено самоокислению благодаря своим электронным свойствам.
Хотя сообщалось, что этот оксифторид перспективен для многих других применений, исследования его фотоэлектрохимических характеристик в качестве фотоанода для расщепления воды не проводились. Исследовательская группа изучила это соединение при различных условиях освещения и приложенного напряжения и обнаружила, что для использования его в качестве фотоанода необходимо модифицировать его поверхность другими соединениями. Во-первых, на поверхность оксифторида необходимо нанести слой оксида титана (TiO2), чтобы увеличить фототок, генерируемый реакцией расщепления воды. Затем производительность фотоанода можно значительно улучшить, покрыв его оксидами кобальта (CoOx), которые проникают через трещины в TiO2слой и способствовать желаемой реакции. «Постмодификация фотоанода промотором водного окисления оказалась необходимой для достижения стабильной работы в большинстве случаев», - отмечает проф. Маэда.
Исследователи провели несколько экспериментов, чтобы охарактеризовать свой фотоанод и его характеристики для расщепления воды в различных условиях, например, при различных типах света и различных значениях напряжения и pH (что является мерой кислотности воды).. Их результаты многообещающи и очень полезны, чтобы указать другим исследователям правильное направление. «До сих пор оксинитриды и подобные соединения считались многообещающими, но сложными в обращении материалами для фотоанодов из-за присущей им неустойчивости к самоокислению. Pb2Ti 2O54F1.2 представляет собой долгожданный прорыв в этом отношении, заключает профессор Маэда. Технология расщепления воды может иметь решающее значение для удовлетворения наших энергетических потребностей без дальнейшего вреда для окружающей среды, и исследования, подобные этому, являются важными ступеньками для достижения наших целей в отношении более зеленого будущего.