Как известно, человечество пытается использовать солнечную энергию не только для выработки электричества, но и для создания химического топлива из водорода. Что правда, продвижения вперед здесь значительно меньше, чем в случае с солнечной генерацией.
Проблема заключается в стоимости полупроводниковых устройств захвата света и катализаторов, необходимых для получения водорода. Самые эффективные из известных материалы слишком дороги, чтобы полученное с их помощью топливо могло конкурировать с бензином.
Тем не менее, исследования в данной отрасли продолжаются. В журнале Science профессор химии Кионг-Шин Чой и аспирант Тэ Ву Ким из Университета Висконсина описывают дешёвые материалы на основе оксидов. С их помощью учёным удалось достичь эффективности солнечного расщепления воды на водород и кислород 1,7%, наибольшей из известных когда-либо для фотоэлектродных систем на базе оксидов.
Чой создала солнечные элементы из ванадата висмута с помощью электролиза, получив материал с площадью поверхности 32 квадратных метра на каждый грамм. «Без особого оборудования, высокой температуры или запредельного давления мы создали нанопористый полупроводник из чрезвычайно крошечных частиц, имеющих большую площадь поверхности, — поясняет профессор. — Чем больше площадь поверхности, тем больше площадь контакта с водой, и, следовательно, более эффективное расщепление».
Однако, ванадат висмута нуждается в «помощнике» для ускорения реакции производства топлива. Для этого необходим подходящий катализатор.
По мнению Чой, множество учёных работает над повышением эффективности проводников и катализаторов, однако стыковке эффективных материалов между собой уделяется мало внимания. «Даже если у вас есть лучший полупроводник в мире и лучший катализатор, их общая эффективность может быть ограничена границей раздела полупроводник — катализатор», — говорит она.
Чой и Ким использовали в качестве катализатора пару дешёвых и не слишком эффективных поодиночке веществ: оксид железа и оксид никеля. «Поскольку ни один катализатор не обеспечивает хорошее сопряжение одновременно с полупроводником и водой, мы решили разделить всю работу на две части, — рассказывает Чой. — Оксид железа хорошо сочетается с ванадатом висмута, а оксид никеля с водой. Поэтому мы используем их вместе».
Двухслойная конструкция катализатора позволила идеально совместить его с водой и полупроводником. «Объединение дешёвого двойного катализатора и нашего нанопористого полупроводникового электрода с большой площадью поверхности привело к созданию недорогой фотоэлектродной системы с рекордной эффективностью», — говорит Чой.
Она ожидает, что фундаментальная работа, демонстрирующая рост эффективности нанопористого ванадата висмута в сочетании с двухслойным катализатором, послужит лабораториям по всему миру толчком для качественного прорыва в исследованиях. «Другие исследователи, изучающие различные типы полупроводников или различные типы катализаторов могут использовать этот подход для поиска комбинаций материалов, которые могут стать ещё более эффективными», — заявила профессор.
Метки: ванадат висмута, оксиды, проводник, расщепление воды, Солнечная энергия, тип катализатора, фотоэлектронные системы, химическое топливо, электролиз
