Фотокаталитическое расщепление воды представляет собой ключевую технологию для производства чистого водорода с использованием энергии солнечного света. В этом процессе вода разлагается на кислород и водород без участия ископаемого топлива, а образующийся «зелёный» водород становится перспективным экологически чистым топливом. Центральную роль играет фотокатализатор, который запускает и поддерживает реакцию под воздействием света.
Титановые диоксиды (TiO₂) давно считаются перспективными полупроводниками для фотокаталитического расщепления воды, однако их эффективность ограничивается быстрым рекомбинированием зарядов и неэффективным разделением электронов и дырок. Это снижает выход водорода и уменьшает потенциал промышленного применения.
Команда исследователей под руководством профессора Лю Гана из Института металловедения (IMR) Китайской академии наук представила важный прорыв: создание полупроводника на основе диоксида титана, легированного скандием (Sc), в рутильной фазе. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society.
Ключевые показатели нового материала впечатляют: видимый квантовый выход (Apparent Quantum Yield, AQY) достиг 30,3%, что означает, что почти треть поглощённых фотонов приводит к эффективному расщеплению воды. Эффективность преобразования солнечной энергии в водород (Solar-to-Hydrogen, STH) составила 0,34%. Оба значения стали рекордными для фотокаталитического расщепления воды с использованием TiO₂ в стандартных условиях окружающей среды — без нагрева и давления.
Основой успеха стала двухступенчатая инновационная стратегия. На первом этапе исследователи внедрили ионы скандия Sc³⁺, что позволило устранить дефекты Ti³⁺. Эти дефекты обычно захватывают заряды, вызывая потери энергии и снижение эффективности. На втором этапе была проведена инженерия межфасетного соединения между кристаллическими плоскостями (101) и (110), что создало внутреннее электрическое поле. Оно эффективно разделяет электроны и дырки, направляя их на разные фасеты, где происходят реакции восстановления и окисления воды. По словам профессора Лю Гана, «этот двойной подход не только минимизирует рекомбинацию зарядов, вызванную дефектами, но и имитирует эффективный механизм разделения зарядов, присущий p-n переходам в фотоэлектрических элементах».
Разработанная технология обещает значительный коммерческий потенциал, особенно в Китае. Страна располагает крупными запасами титана и скандия, развитой индустриальной цепочкой по производству диоксида титана и передовыми возможностями в области редкоземельной металлургии. Новое решение может позволить создать масштабируемое и экономически выгодное производство зелёного водорода. «Наша стратегия, ориентированная на подавление дефектов и использование анизотропии кристаллов, полностью соответствует ресурсным и промышленным преимуществам Китая», — подчёркивает профессор Лю Ган.
Следующим этапом исследований станет повышение поглощения солнечного света и интеграция материала в промышленные солнечные системы для серийного производства водорода.
Изображение носит иллюстративный характер
Титановые диоксиды (TiO₂) давно считаются перспективными полупроводниками для фотокаталитического расщепления воды, однако их эффективность ограничивается быстрым рекомбинированием зарядов и неэффективным разделением электронов и дырок. Это снижает выход водорода и уменьшает потенциал промышленного применения.
Команда исследователей под руководством профессора Лю Гана из Института металловедения (IMR) Китайской академии наук представила важный прорыв: создание полупроводника на основе диоксида титана, легированного скандием (Sc), в рутильной фазе. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society.
Ключевые показатели нового материала впечатляют: видимый квантовый выход (Apparent Quantum Yield, AQY) достиг 30,3%, что означает, что почти треть поглощённых фотонов приводит к эффективному расщеплению воды. Эффективность преобразования солнечной энергии в водород (Solar-to-Hydrogen, STH) составила 0,34%. Оба значения стали рекордными для фотокаталитического расщепления воды с использованием TiO₂ в стандартных условиях окружающей среды — без нагрева и давления.
Основой успеха стала двухступенчатая инновационная стратегия. На первом этапе исследователи внедрили ионы скандия Sc³⁺, что позволило устранить дефекты Ti³⁺. Эти дефекты обычно захватывают заряды, вызывая потери энергии и снижение эффективности. На втором этапе была проведена инженерия межфасетного соединения между кристаллическими плоскостями (101) и (110), что создало внутреннее электрическое поле. Оно эффективно разделяет электроны и дырки, направляя их на разные фасеты, где происходят реакции восстановления и окисления воды. По словам профессора Лю Гана, «этот двойной подход не только минимизирует рекомбинацию зарядов, вызванную дефектами, но и имитирует эффективный механизм разделения зарядов, присущий p-n переходам в фотоэлектрических элементах».
Разработанная технология обещает значительный коммерческий потенциал, особенно в Китае. Страна располагает крупными запасами титана и скандия, развитой индустриальной цепочкой по производству диоксида титана и передовыми возможностями в области редкоземельной металлургии. Новое решение может позволить создать масштабируемое и экономически выгодное производство зелёного водорода. «Наша стратегия, ориентированная на подавление дефектов и использование анизотропии кристаллов, полностью соответствует ресурсным и промышленным преимуществам Китая», — подчёркивает профессор Лю Ган.
Следующим этапом исследований станет повышение поглощения солнечного света и интеграция материала в промышленные солнечные системы для серийного производства водорода.
