Инновационные материалы для солнечного фотокаталитического расщепления воды: обзор последних достижений

Aug 22, 2023

Солнечное фотокаталитическое расщепление воды — процесс, в котором используется солнечный свет для расщепления воды на водород и кислород, — стало многообещающим способом получения чистой возобновляемой энергии. Поиск эффективных, экономичных и экологически чистых материалов для облегчения этого процесса был в центре внимания исследований в последние годы. Было обнаружено и разработано несколько инновационных материалов, что привело к значительным прорывам в этой области.

Одним из наиболее интересных разработок является использование полупроводниковых материалов, таких как диоксид титана (TiO2), в качестве фотокатализаторов. Эти материалы поглощают солнечный свет и генерируют электронно-дырочные пары, которые затем участвуют в химических реакциях по расщеплению молекул воды. Однако широкая запрещенная зона TiO2 ограничивает его поглощение ультрафиолетовой областью солнечного спектра, которая составляет лишь около 5% от общей солнечной энергии. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи изучают способы модификации TiO2, чтобы расширить поглощение света до видимой области.

Одна из таких модификаций включает легирование TiO2 неметаллическими элементами, такими как азот и углерод. Эта модификация не только увеличивает светопоглощение TiO2, но и усиливает его фотокаталитическую активность. Другой подход заключается в соединении TiO2 с узкозонными полупроводниками, такими как сульфид кадмия (CdS), для образования гетероперехода. Эта структура позволяет более эффективно разделять и переносить фотогенерированные электронно-дырочные пары, тем самым улучшая фотокаталитическая эффективность.

Помимо полупроводниковых материалов, катализаторы на основе металлов также показали многообещающие результаты в солнечном фотокаталитическом расщеплении воды. Например, платина (Pt) и палладий (Pd) являются отличными катализаторами восстановления воды до водорода. Однако их высокая стоимость и редкость побудили исследователей искать альтернативы. Недавние исследования показали, что катализаторы на основе никеля (Ni) и кобальта (Co) могут быть эффективными и доступными заменителями Pt и Pd.

Еще одним значительным прорывом является использование двумерных (2D) материалов, таких как графен и дихалькогениды переходных металлов (TMD). Эти материалы обладают уникальными свойствами, в том числе большой площадью поверхности и отличными способностями к переносу заряда, что делает их идеальными для фотокаталитических применений. Например, графен может выступать в качестве превосходного переносчика электронов, а также в качестве защитного слоя для фотокатализатора, предотвращая его деградацию.

Еще одним перспективным направлением является разработка гибридных материалов, сочетающих в себе два или более вышеупомянутых материалов. Эти гибриды могут использовать сильные стороны каждого компонента, что приводит к улучшению фотокаталитических характеристик. Например, гибрид TiO2 и графена может сочетать фотокаталитическую активность TiO2 с превосходными способностями графена к переносу заряда, что приводит к повышению эффективности.

В заключение, поиск инновационных материалов для солнечного фотокаталитического расщепления воды привел к нескольким захватывающим прорывам. Хотя проблемы, такие как улучшение стабильности и масштабируемости этих материалов, остаются, прогресс, достигнутый на данный момент, обнадеживает. Постоянное исследование и разработка этих материалов открывают большие перспективы для будущего чистой возобновляемой энергии.