Ученые Красноярского научного центра СО РАН разработали новые фотонно-кристаллические структуры для повышения эффективности фотоиндуцированного расщепления воды. Исследователи использовали оксид титана, который обладает высокой стабильностью, нетоксичностью и низкой стоимостью. Полученные структуры могут использоваться для разработки новых методов производства чистого водорода с использованием солнечной энергии. Результаты исследования опубликованы в серии статей, последние результаты — в Журнале Сибирского федерального университета. Химия.
Младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Николай Зосько. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Фотоэлектрохимическое разложение воды используется для производства водорода с помощью полупроводниковых фотоэлектродов, поглощающих солнечную энергию и расщепляющих воду на водород и кислород. Этот процесс позволяет снизить затраты на производство водорода за счёт использования энергии солнца. Фотоэлектрохимическое разложение воды применяется для очистки сточных вод от органических загрязнителей и получения ценных химических продуктов, таких как метанол и формальдегид, а также в качестве анодов солнечных элементов и сенсоров. Но самое перспективное и привлекательное его применение – производство экологичного водородного топлива.
Водородное топливо — это чистый водород, который используется в топливных элементах и двигателях внутреннего сгорания. Преимущество водородного топлива — в его высокой эффективности и бесшумности работы двигателя. Например, автомобили на водороде способны проезжать в три раза большее расстояние на меньшем количестве топлива по сравнению с бензиновыми автомобилями. При этом они так же экологичны, как электрокары, но их заправка занимает меньше времени. Одна из основных проблем добычи водородного топлива связана с высокими затратами на его производство и безопасностью этого процесса.
Именно здесь на помощь приходит фотоэлектрохимическое разложение воды. Оно происходит в специальных устройствах — фотоэлектрохимических ячейках. В них полупроводниковые фотоаноды облучаются светом, и молекулы воды разлагаются на водород и кислород. Водород затем можно использовать для производства экологически чистого топлива. Кислород же выделяется в окружающую среду. Просто и безопасно.
«Оксид титана химически стабилен и устойчив к коррозии, что обеспечивает его долговечность в процессе работы. Этот материал нетоксичен и обладает низкой стоимостью. Таким образом, оксид титана обладает уникальными свойствами, которые делают его одним из наиболее перспективных фотокатализаторов для фотоэлектрохимического разложения воды», — рассказывает Николай Зосько аспирант, младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.
Разработка действенных и стабильно работающих фотоэлектродов для этого процесса является важной задачей. Такие элементы должны эффективно поглощать солнечный свет, чтобы получить достаточное количество энергии для реакции, быть стабильными, чтобы не снижать свою эффективность. Однако диоксид титана является широкозонным полупроводником. Запрещённая зона определяет электрические и оптические свойства материала. То есть от нее зависит, сколько света сможет поглотить электрод и как результативно он будет работать. Солнечный свет, достигающий поверхности земли, содержит в себе около 4% ультрафиолетового света, а остальное видимый и инфракрасный свет, но из-за большой ширины запрещённой зоны нанотрубки диоксида титана могут хорошо работать только при облучении ультрафиолетом, которого, как мы помним, крайне мало в солнечном свете. Исходя из этого, задача повышения эффективности работы нанотрубок диоксида титана в видимом свете является актуальной на сегодняшний день.
Ученые из Красноярского научного центра СО РАН и Сибирского федерального университета предложили использовать фотонно-кристаллическую структуру для улучшения поглощения видимого света у фотоанодов на основе диоксида титана.
Фотонно-кристаллические структуры знакомы каждому или почти каждому из нас и в повседневной жизни. Самыми распространёнными фотонно-кристаллическими структурами являются природный камень опал, который состоит из высокоупорядоченных рядов шариков оксида кремния, или же переливающиеся на солнце спинки ярко-зелёных жуков, которые состоят из упорядоченных частиц хитина. Основной эффект фотонных кристаллов при этом состоит в таком периодическом строении твёрдой фазы, где из-за периодически изменяющихся показателей диэлектрической проницаемости среды возникает так называемая фотонная запрещённая зона, проще говоря, зона, в которой свет не может распространяться в кристалле из-за его периодической структуры. Вблизи фотонной запрещённой зоны при этом групповая скорость фотонов падает и возникает эффект «медленных фотонов», или «медленного света», благодаря которому эфффективность улавливания солнечного света может быть значительно повышена.
«При работе с фотонными кристаллами проблемой является уже сам по себе процесс их получения. В основном для их получения используются достаточно дорогие и трудоёмкие методы. В нашей же работе мы использовали простой и дешёвый метод двухстадийоного электрохимического анодирования. На первой стадии подготавливалась рельефная подложка, своеобразный трафарет для будущих нанотрубок. На второй стадии выращивались сами нанотрубки при помощи метода переменного импульса высокого и низкого напряжения. Изменяя величину напряжения и длительность импульса, можно трансформировать морфологию фотонного кристалла, что значительно отразится на его оптических свойствах. При таком способе получения нанотрубки становятся похожи на стебель бамбука, расширяясь при импульсе высокого напряжения и сужаясь при низком напряжении», — объясняет Николай Зосько.
В результате элемент стал эффективнее поглощать и преобразовывать свет с большей длиной волны, включая инфракрасную область спектра, что, в свою очередь, расширило диапазон улавливаемой энергии. И действительно, использование бамбукоподобных нанотрубок по сравнению с гладкими нанотрубками увеличило эффективность преобразования падающего фотона в электрон от 1,3 раза в видимом свете и до 3-х раз при облучении ультрафиолетом. А это значит, что пропорционально будет увеличиваться количество выделяющегося водорода. В итоге красноярские ученые одними из первых показали, что использование фотонно-кристаллических наноструктур — это простой, экологичный и достаточно эффективный способ повышения фотоэлектрохимической активности нанопленок титана при расщеплении воды. А значит, фотоаноды из этого материала можно в перспективе использовать для получения водорода.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»