11.02.2013

Предложен новый подход к созданию катализатора расщепления воды

Если бы удалось открыть недорогой и эффективный процесс расщепления воды на кислород и водород, мировой океан в одночасье превратился бы в неисчерпаемый ресурс возобновляемой энергии. Подобный процесс требует катализатора, способного использовать энергию солнечного света при проведении окислительно-восстановительной реакции. Следовательно, экономическая эффективность всего превращения определяется стоимостью, стабильностью и эффективностью такого катализатора.

Учёные из Даляньского института химической физики (Китай) обнаружили, что поликристаллический материал, состоящий из структурно различных наноразмерных доменов оксида галлия (Ga₂O₃), способен на эффективный катализ реакции расщепления воды под действием солнечного света. Результаты исследования, опубликованные в журнале Angewandte Chemie, показали, что ключевую роль при расщеплении играет интерфейс между полиморфными кристаллическими фазами. Авторы полагают, что их исследование должно привести к созданию более действенных фотокатализаторов, чем любые из доступных на сегодня альтернатив.

Фотокатализатор расщепляет воду, направляя энергию абсорбированного света — обычно солнечного — на разрыв химических связей. Сердце всего процесса — акт поглощения света, при котором генерируется экситон — пара противоположно заряженных носителей заряда (электронная вакансия). А ключом к эффективному использованию энергии солнечного света является способность катализатора обеспечить эффективное разделение этой пары, поскольку протекающая довольно быстро рекомбинация пары электрон—дырка приводит к потере (рассеянию) поглощённой энергии ещё до разрыва химических связей.

Обычная стратегия достижения состояния максимального разделения зарядов в полупроводниках заключается в селективном допировании материала для сближения положительно (р-тип) и отрицательно (n-тип) заряженных зон. Кроме того, нанесением бок о бок плёнок двух типов полупроводников создаются специальные типы интерфейса, известные как p-n переходы.

Рассматриваемая работа показала, что есть гораздо более простой путь. Вместо того чтобы тратить усилия и подбирать самые подходящие пары полупроводников для создания p-n-переходов, китайцы предлагают использовать естественные интерфейсы между структурно различными доменами Ga₂O₃, способного кристаллизоваться в пяти модификациях.

Учёные продемонстрировали, что для создания необходимого распределения наноразмерных доменов α- и β-фаз Ga₂O₃ может использоваться простая температурная обработка. В результате удалось показать, что смесь фаз, полученная нагреванием исходного материала до 600 °C, приводит к получению фотокатализатора, который в семь и более раз активнее в реакции расщепления воды, чем любой из компонентов смеси в отдельности.

Подготовлено по материалам Chemical & Engineering News.

Роман Иванов

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА