Точно так же, как для приготовления превосходного блюда требуются правильные ингредиенты, приготовленные со знанием дела, производство более экологичных альтернативных видов топлива требует сочетания правильных материалов и методов. Недавно группа исследователей из Китая и Великобритании нашла новые способы оптимизации рецептуры для производства солнечного топлива. Их результаты были опубликованы в двух статьях, одна в журнале Applied Surface Science, а другая в журнале Optical Materials.

Водород — это источник энергии с нулевым уровнем выбросов, который может быть получен из воды с использованием солнечной энергии и обладает огромным потенциалом для смягчения последствий климатического кризиса. Процесс получения водорода из воды называется «расщеплением воды», потому что он расщепляет воду на два ее элемента — водород и кислород. Для расщепления воды требуется полупроводниковый фотокатализатор, вещество или соединение, которое поглощает солнечный свет и затем использует его энергию для процесса расщепления.

Однако полупроводниковые фотокатализаторы для расщепления воды различаются по своей эффективности. Используя новые комбинации методов и материалов для создания новых типов фотокатализаторов, исследователи повысили эффективность производства водорода.

Доктор Грэм Доусон, руководивший исследованиями в Сианьском университете Цзяотонг-Ливерпуль, объясняет: «Добавляя такие материалы, как золото или нитрат бора, в наши фотокатализаторы с использованием определенных методов смешивания, мы можем увеличить количество поглощаемого света.

«Чем больше поглощается света, тем больше энергии требуется для расщепления воды, и таким образом увеличивается производство водорода», — говорит он.

Поиск идеального рецепта

Модификация материалов, обычно используемых в качестве фотокатализаторов, помогает преодолеть их ограничения, говорит Янань Чжао, первый автор статьи в журнале Applied Surface Science. Одним из наиболее широко используемых материалов является диоксид титана. «Диоксид титана может получать энергию непосредственно от солнца с незначительным загрязнением окружающей среды и демонстрирует большой потенциал в развитии технологий, связанных с солнечной энергией», — говорит она.

«Однако он может быть активирован только ультрафиолетовым излучением, на долю которого приходится всего 7% солнечного света. Он не может поглощать энергию видимого света», — объясняет Чжао, которая получила степень магистра химии в XJTLU и была удостоена полной стипендии для получения степени доктора философии в Университете Северной Дакоты.

Исследователи обнаружили, что добавление нитрида бора к форме диоксида титана приводит к получению фотокатализатора, который может поглощать энергию большего количества длин волн, чем ультрафиолетовый свет. Нитрид бора, соединение бора и азота, обладает хорошей электропроводностью и выдерживает температуру до 2000°C.

Чжао объясняет процесс: «Чтобы получить композитный фотокаталитический материал, мы объединили нитрид бора с нанотрубками титаната, которые представляют собой трубчатые структуры с размерами, измеряемыми в нанометрах — один нанометр равен одной миллиардной метра.

«Оптимизировав соотношение нанотрубок из нитрида бора и титаната и используя химические процессы для объединения соединений, мы получили очень стабильный композитный фотокатализатор. Он может поглощать свет в более широком диапазоне длин волн и производить больше водорода по сравнению с традиционными методами физического смешивания».

Золотая лихорадка

Во втором исследовании, опубликованном в журнале Optical Materials, команда доктора Доусона нашла дополнительный вариант повышения эффективности фотокаталитического расщепления воды. Они покрывали поверхности определенных типов фотокаталитических структур наночастицами золота определенного размера, тем самым увеличивая количество света, которое они могли поглощать.

Шики Чжао, первый автор этого исследования, объясняет: «Структура используемого фотокаталитического материала очень важна. В этом исследовании мы использовали две формы фотокаталитических наноструктур — нанолисты и нанотрубки. Мы покрыли их частицами золота разного размера, чтобы увидеть, какая комбинация дает наибольшее количество водорода из воды.

«Наши результаты показали, что нанолисты, модифицированные мелкими однородными частицами золота, обладали наилучшими фотокаталитическими характеристиками из всех протестированных нами материалов. Эти наноструктуры с золотым покрытием показали примерно в 36 раз большую эффективность фотокаталитического производства водорода, чем немодифицированные нанотрубки», — продолжает он.

«Это дает новое понимание того, как полупроводниковые фотокаталитические материалы могут быть модифицированы наночастицами золота, и имеет ценное применение в области фотокаталитического производства водорода, солнечных элементов и оптических датчиков».