Японские исследователи совершили прорыв в технологии солнечного топлива, разработав наноразмерные пористые оксигалогенидные фотокатализаторы (Pb₂Ti₂O₅.4F₁.2), которые показали рекордные результаты в производстве водорода из воды и преобразовании углекислого газа в муравьиную кислоту под воздействием солнечного света. Они превзошли предыдущие оксигалогенидные катализаторы примерно в 60 раз.
Этот прорыв предлагает масштабируемый и экологически чистый подход к производству солнечного топлива и подчёркивает важность контроля размера и структуры частиц для повышения эффективности.
Использование солнечного света для производства чистого топлива
Учёные работают над тем, чтобы использовать солнечный свет не только для производства электроэнергии, но и для получения полезных видов топлива. Преобразование стало возможным благодаря фотокатализаторам — материалам, которые могут поглощать видимый свет и инициировать химические реакции.
При воздействии света эти катализаторы генерируют носители заряда (электроны и дырки), которые запускают реакции, такие как расщепление воды на водород (H₂) и преобразование углекислого газа (CO₂) в муравьиную кислоту — жидкое топливо и носитель водорода.
Перспективные фотокатализаторы на основе свинца
Среди наиболее перспективных фотокатализаторов для этих применений — оксигалогениды свинца Pb₂Ti₂O₅.4F₁.2 (PTOF). Эти материалы имеют узкую запрещённую зону, что обеспечивает эффективное поглощение видимого света, и могут противостоять жёстким окислительным условиям, что является ключевым свойством для долгосрочной каталитической активности.
Исследователи из Института науки Токио (Science Tokyo), Япония, синтезировали более мелкие и пористые наноразмерные частицы PTOF, достигнув фотокаталитической активности примерно в 60 раз выше, чем сообщалось ранее.
Исследование, проведённое под руководством профессора Казухико Маэды из Департамента химии, Школы наук, Science Tokyo, и профессора Осаму Иситани из Университета Хиросимы, опубликовано в журнале ACS Catalysis.
Метод синтеза
Метод синтеза, разработанный в этом исследовании, обеспечивает лидирующие в мире фотокаталитические характеристики для производства H₂ и преобразования CO₂ в муравьиную кислоту среди оксигалогенидных фотокатализаторов, используя экологически чистый процесс, — говорит Маэда.
Уменьшение размера частиц повышает каталитическую активность за счёт сокращения расстояния, которое должны преодолеть фотогенерированные носители заряда, чтобы достичь поверхности, что снижает вероятность их рекомбинации. Однако это также может привести к появлению структурных дефектов, которые могут негативно повлиять на производительность. В этом исследовании исследователи показывают, что их метод позволяет избежать этих проблем путём тщательного контроля формы и размера частиц.
Для синтеза частиц команда использовала гидротермальный метод с микроволновой помощью, который работает при относительно низких температурах. Они приготовили растворы, содержащие нитрат свинца в качестве источника свинца и фторид калия в качестве источника фтора. Для источника титана они протестировали три различных водорастворимых титановых комплекса на основе лимонной, винной и молочной кислоты. Они также приготовили обычный образец PTOF, используя хлорид титана (TiCl₄), для сравнения. Смеси нагревали в микроволновой печи при 473 K, а полученные осадки собирали и сушили.
Частицы PTOF, синтезированные с использованием подходящих водорастворимых титановых комплексов, были меньше (менее 100 нм) и имели высокопористые структуры с площадью поверхности около 40 м²/г. Для сравнения, частицы, полученные с использованием TiCl₄, были крупнее (0,5–1 мкм) и имели площадь поверхности всего 2,5 м²/г.
Эта наноструктуризация значительно улучшила фотокаталитическую активность. Для генерации водорода PTOF, полученный из лимонной кислоты, показал шестидесятикратное увеличение скорости реакции по сравнению с PTOF, приготовленным с TiCl₄, достигнув эффективного квантового выхода примерно 15% при 420 нм. Для восстановления CO₂ PTOF, полученный из винной кислоты, показал лучшие результаты, произведя муравьиную кислоту с многообещающим квантовым выходом примерно 10% в присутствии молекулярного рутениевого фотокатализатора. Оба значения представляют рекордные показатели для оксигалогенидных фотокатализаторов.
Интересно, что исследователи отметили, что более мелкие частицы имели более низкую подвижность носителей заряда, чем их более крупные аналоги. Однако, поскольку носителям заряда в этих наноразмерных структурах приходилось преодолевать гораздо меньшее расстояние до поверхности, они с меньшей вероятностью рекомбинировали и с большей вероятностью участвовали в полезных химических реакциях.
Используя низкотемпературный, экологически чистый метод и тщательно контролируя размер и структуру частиц, исследователи разработали практический подход для масштабируемого и эффективного производства солнечного топлива.
«Это исследование подчёркивает важность контроля морфологии оксигалогенидов для раскрытия их полного потенциала в качестве фотокатализаторов для искусственного фотосинтеза. Ожидается, что эти результаты внесут значительный вклад в разработку инновационных материалов, которые помогут решить глобальные энергетические проблемы», — заключает Маэда.
Предоставлено Институтом науки Токио.