Исследователи Университета Осаки создают новый материал на основе золота и черного фосфора для производства чистого водородного топлива с использованием полного спектра солнечного света
Глобальное изменение климата и энергетический кризис означают, что срочно необходимы альтернативы ископаемому топливу. Одним из самых чистых низкоуглеродистых видов топлива является водород, который может вступать в реакцию с кислородом с выделением энергии, не выделяя при этом ничего более вредного, чем вода (H2O) в качестве продукта. Однако большая часть водорода на Земле уже заперта в H2O (или других молекулах) и не может быть использована для получения энергии.
Водород можно получить путем расщепления H2O, но при этом используется больше энергии, чем может вернуть полученный водород. Расщепление воды часто происходит за счет солнечной энергии, так называемого преобразования «солнечной энергии в водород». Такие материалы, как оксид титана, известные как полупроводники с широкой запрещенной зоной, традиционно используются для преобразования солнечного света в химическую энергию для фотокаталитической реакции. Однако эти материалы неэффективны, поскольку поглощается только ультрафиолетовая (УФ) часть света, а остальной спектр солнечного света тратится впустую.
Теперь команда из Университета Осаки разработала материал для сбора более широкого спектра солнечного света. Трехкомпонентные композиты этого материала максимизируют как поглощение света, так и его эффективность для расщепления воды. Ядро представляет собой традиционный полупроводник, оксид лантана и титана (LTO). Поверхность LTO частично покрыта крошечными частицами золота, известными как наночастицы. Наконец, покрытый золотом LTO смешивается с ультратонкими листами элемента черного фосфора (BP), который действует как поглотитель света.
«BP - прекрасный материал для солнечных батарей, потому что мы можем настроить частоту света, просто изменяя его толщину, от ультратонкой до объемной», - говорит руководитель группы Тетсуро Мадзима. «Это позволяет нашему новому материалу поглощать видимый и даже ближний инфракрасный свет, чего мы никогда не смогли бы достичь с помощью одного LTO».
Поглощая этот широкий спектр энергии, BP стимулируется к высвобождению электронов, которые затем направляются к золотым наночастицам, покрывающим LTO. Наночастицы золота также поглощают видимый свет, вызывая выброс некоторых собственных электронов. Свободные электроны как в BP, так и в наночастицах золота затем переносятся в полупроводник LTO, где они действуют как электрический ток для расщепления воды.
Производство водорода с использованием этого материала усиливается не только более широким спектром поглощения света, но и более эффективной электронной проводимостью, обусловленной уникальным интерфейсом между двумерными материалами BP и LTO. В результате материал в 60 раз более активен, чем чистый LTO.
«Эффективно собирая солнечную энергию для производства чистого топлива, этот материал может помочь очистить окружающую среду», - говорит Мадзима. «Более того, мы надеемся, что наше изучение механизма будет способствовать новым достижениям в технологии фотокатализаторов».