Разработан новый фототермический материал, демонстрирующий высокую эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую. Этот материал, синтезированный с использованием плазменных процессов, открывает перспективы для таких применений, как очистка воды с помощью солнечной энергии.
За этим достижением стоит команда Исследовательского центра энергии, материалов и телекоммуникаций (Énergie Matériaux Télécommunications Research Center) Национального института научных исследований (Institut national de la recherche scientifique, INRS) под руководством профессора Май Али Эль Хакани (My Ali El Khakani), специалиста по плазменно-лазерным процессам для создания наноструктурированных материалов. Ведущим автором публикации в журнале Scientific Reports, где были изложены результаты, стал Лоик Пишон (Loick Pichon), аспирант INRS. Их ключевое достижение — разработка нового материала в виде тонкой пленки Ti4O7 с высокой эффективностью фототермического преобразования.
Оксиды титана в своей стехиометрической форме десятилетиями известны исключительными фотокаталитическими свойствами. Однако исследователи сосредоточились на субстехиометрических формах, характеризующихся небольшим дефицитом атомов кислорода. Эти соединения известны как «фазы Магнели», и их конкретные составы обладают различными свойствами.
Среди фаз Магнели особое внимание привлек Ti4O7 благодаря своим уникальным электрическим, химическим и каталитическим свойствам. Лишь в последние годы началось активное изучение его фототермического поведения. Команда профессора Эль Хакани обнаружила, что именно тонкие пленки Ti4O7 обладают непревзойденным потенциалом для сверхэффективного фототермического преобразования.
Традиционные методы синтеза Ti4O7, такие как термическое восстановление, обычно позволяют получать материал в виде порошка. Этот подход имеет существенные ограничения: он не позволяет получить чистую фазу Ti4O7, затрудняет контроль состава, морфологии и наноструктуры, часто приводит к образованию смешанных фаз. Кроме того, порошок прессуется в гранулы, что ограничивает размер создаваемых электродов максимум несколькими сантиметрами и не позволяет раскрыть весь потенциал материала, особенно его электропроводность.
Для преодоления этих ограничений исследователи применили новый метод синтеза — магнетронное распыление (RF-магнетронное плазменное напыление). Эта техника, аналогичная процессам осаждения тонких пленок в полупроводниковой промышленности, позволила наносить покрытия Ti4O7 толщиной всего в несколько сотен нанометров.
Преимущества плазменного осаждения заключаются в возможности полностью изменять свойства поверхности подложки и наносить покрытия на различные материалы (металлические пластины, кремниевые пластины, стеклянные пластины) и поверхности достаточно большого размера. Это открывает путь к контролируемому созданию функциональных покрытий.
Ключевым научным вкладом работы стало первое установление фундаментальной взаимосвязи между способностью пленок Ti4O7 поглощать свет (оптическая абсорбция) и эффективностью их фототермического преобразования.
Контролируемое осаждение тонких пленок Ti4O7 открывает двери для множества практических применений. Благодаря коррозионной стойкости и высокой проводимости, они могут служить высокоэффективными анодами для обеззараживания воды, содержащей стойкие загрязнители.
Высокая электропроводность делает пленки Ti4O7 перспективными электродами для электрохимических процессов, таких как производство водорода и аммиака — важных секторов экономики, в том числе в Квебеке.
Исключительные возможности фототермического преобразования могут быть использованы для создания «умных» окон с подогревом, что обеспечит экономию средств и повышение энергоэффективности зданий.
Наконец, материал перспективен для пассивного опреснения воды. В отличие от широко используемого обратного осмоса, требующего значительных затрат электроэнергии, системы на основе Ti4O7 могут работать исключительно за счет прямого солнечного света, без внешнего подвода энергии.
Изображение носит иллюстративный характер
За этим достижением стоит команда Исследовательского центра энергии, материалов и телекоммуникаций (Énergie Matériaux Télécommunications Research Center) Национального института научных исследований (Institut national de la recherche scientifique, INRS) под руководством профессора Май Али Эль Хакани (My Ali El Khakani), специалиста по плазменно-лазерным процессам для создания наноструктурированных материалов. Ведущим автором публикации в журнале Scientific Reports, где были изложены результаты, стал Лоик Пишон (Loick Pichon), аспирант INRS. Их ключевое достижение — разработка нового материала в виде тонкой пленки Ti4O7 с высокой эффективностью фототермического преобразования.
Оксиды титана в своей стехиометрической форме десятилетиями известны исключительными фотокаталитическими свойствами. Однако исследователи сосредоточились на субстехиометрических формах, характеризующихся небольшим дефицитом атомов кислорода. Эти соединения известны как «фазы Магнели», и их конкретные составы обладают различными свойствами.
Среди фаз Магнели особое внимание привлек Ti4O7 благодаря своим уникальным электрическим, химическим и каталитическим свойствам. Лишь в последние годы началось активное изучение его фототермического поведения. Команда профессора Эль Хакани обнаружила, что именно тонкие пленки Ti4O7 обладают непревзойденным потенциалом для сверхэффективного фототермического преобразования.
Традиционные методы синтеза Ti4O7, такие как термическое восстановление, обычно позволяют получать материал в виде порошка. Этот подход имеет существенные ограничения: он не позволяет получить чистую фазу Ti4O7, затрудняет контроль состава, морфологии и наноструктуры, часто приводит к образованию смешанных фаз. Кроме того, порошок прессуется в гранулы, что ограничивает размер создаваемых электродов максимум несколькими сантиметрами и не позволяет раскрыть весь потенциал материала, особенно его электропроводность.
Для преодоления этих ограничений исследователи применили новый метод синтеза — магнетронное распыление (RF-магнетронное плазменное напыление). Эта техника, аналогичная процессам осаждения тонких пленок в полупроводниковой промышленности, позволила наносить покрытия Ti4O7 толщиной всего в несколько сотен нанометров.
Преимущества плазменного осаждения заключаются в возможности полностью изменять свойства поверхности подложки и наносить покрытия на различные материалы (металлические пластины, кремниевые пластины, стеклянные пластины) и поверхности достаточно большого размера. Это открывает путь к контролируемому созданию функциональных покрытий.
Ключевым научным вкладом работы стало первое установление фундаментальной взаимосвязи между способностью пленок Ti4O7 поглощать свет (оптическая абсорбция) и эффективностью их фототермического преобразования.
Контролируемое осаждение тонких пленок Ti4O7 открывает двери для множества практических применений. Благодаря коррозионной стойкости и высокой проводимости, они могут служить высокоэффективными анодами для обеззараживания воды, содержащей стойкие загрязнители.
Высокая электропроводность делает пленки Ti4O7 перспективными электродами для электрохимических процессов, таких как производство водорода и аммиака — важных секторов экономики, в том числе в Квебеке.
Исключительные возможности фототермического преобразования могут быть использованы для создания «умных» окон с подогревом, что обеспечит экономию средств и повышение энергоэффективности зданий.
Наконец, материал перспективен для пассивного опреснения воды. В отличие от широко используемого обратного осмоса, требующего значительных затрат электроэнергии, системы на основе Ti4O7 могут работать исключительно за счет прямого солнечного света, без внешнего подвода энергии.
