Расщепление воды на солнечной энергии является многообещающим средством получения чистой и хранимой энергии. Было показано, что новый катализатор на основе полупроводниковых наночастиц облегчает все реакции, необходимые для «искусственного фотосинтеза».
В свете глобального изменения климата существует острая необходимость в разработке эффективных способов получения и хранения энергии из возобновляемых источников энергии. Фотокаталитическое расщепление воды на водородное топливо и кислород представляет собой особенно привлекательный подход в этом контексте. Однако эффективная реализация этого процесса, имитирующего биологический фотосинтез, технически очень сложна, поскольку включает в себя комбинацию процессов, которые могут мешать друг другу.
Теперь физикам LMU во главе с доктором Яцеком Столарчиком и профессором Йохеном Фельдманном в сотрудничестве с химиками из Вюрцбургского университета во главе с профессором Франком Вюртнером удалось продемонстрировать полное расщепление воды с помощью всего Каталитическая система «в одном» впервые. Их новое исследование опубликовано в журнале Nature Energy.
Технические методы фотокаталитического расщепления молекул воды используют синтетические компоненты для имитации сложных процессов, происходящих при естественном фотосинтезе. В таких системах фотокатализаторами в принципе могут служить полупроводниковые наночастицы, поглощающие кванты света (фотоны). Поглощение фотона порождает отрицательно заряженную частицу (электрон) и положительно заряженную частицу, известную как «дырка», и они должны быть пространственно разделены, чтобы молекула воды могла быть восстановлена до водорода электроном и окислена дыркой. для образования кислорода.«Если кто-то хочет получить только газообразный водород из воды, дыры обычно быстро удаляются путем добавления расходуемых химических реагентов», - говорит Столарчик. «Но для достижения полного разделения воды в системе должны быть сохранены отверстия, чтобы управлять медленным процессом окисления воды». Проблема заключается в том, чтобы обеспечить одновременное протекание двух полуреакций на одной частице, при этом гарантируя, что противоположно заряженные частицы не рекомбинируют. Кроме того, многие полупроводники сами могут быть окислены и тем самым разрушены положительно заряженными дырками.
Наностержни с пространственно разделенными реакционными центрами
«Мы решили проблему, используя наностержни, изготовленные из полупроводникового материала сульфида кадмия, и пространственно разделили области, на которых происходили реакции окисления и восстановления на этих нанокристаллах», - объясняет Столарчик. Исследователи украсили кончики наностержней крошечными частицами платины, которые действуют как акцепторы для электронов, возбуждаемых поглощением света. Как ранее показала группа LMU, эта конфигурация обеспечивает эффективный фотокатализатор для восстановления воды до водорода. Реакция окисления, с другой стороны, происходит на сторонах наностержня. С этой целью исследователи LMU прикрепили к боковым поверхностям катализатор окисления на основе рутения, разработанный командой Вюртнера. Соединение было снабжено функциональными группами, которые прикрепляли его к наностержню. «Эти группы обеспечивают чрезвычайно быструю транспортировку дырок к катализатору, что способствует эффективной генерации кислорода и минимизирует повреждение наностержней», - говорит доктор Петер Фришманн, один из инициаторов проекта в Вюрцбурге.
Исследование проводилось в рамках междисциплинарного проекта «Солнечные технологии становятся гибридными» (SolTech), который финансируется землей Бавария. «Миссия SolTech заключается в изучении инновационных концепций преобразования солнечной энергии в неископаемое топливо», - говорит профессор Йохен Фельдманн, заведующий кафедрой фотоники и оптоэлектроники в LMU.«Разработка новой фотокаталитической системы - хороший пример того, как SolTech объединяет опыт, имеющийся в разных областях и в разных местах. Проект не был бы успешным без междисциплинарного сотрудничества между химиками и физиками двух институтов», - добавляет Вюртнер. который вместе с Фельдманном основал SolTech в 2012 году.