Команда исследователей из Красноярского научного центра СО РАН разработала новые фотонно-кристаллические структуры для фотоиндуцированного расщепления воды, позволяющие существенно повысить эффективность производства водорода. Результаты исследования опубликованы в Журнале Сибирского федерального университета. Химия.
Читайте «Хайтек» в
Фотоэлектрохимическое разложение воды используется для производства водорода с помощью полупроводниковых фотоэлектродов, поглощающих солнечную энергию и расщепляющих воду на водород и кислород. Расщепление происходит в специальных устройствах — фотоэлектрохимических ячейках. В них находятся полупроводниковые фотоаноды, которые при облучении светом запускают процесс разложения молекул воды на водород и кислород.
Красноярские ученые предложили использовать фотонно-кристаллическую структуру для улучшения поглощения видимого света у фотоанодов на основе диоксида титана.
Исследователи отмечают, что оксид титана химически стабилен и устойчив к коррозии, а также нетоксичен и сравнительно дешев.
«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 один из авторов работы, младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Николай Зосько.
Исследование показало, что использование бамбукоподобных нанотрубок оправдало себя: по сравнению с гладкими нанотрубками, этот метод увеличил эффективность преобразования падающего фотона в электрон от 1,3 раза в видимом свете и до 3 раз при облучении ультрафиолетом. Эти показатели напрямую свидетельствуют о более высокой эффективности производства: чем больше фотонов будет преобразовано, тем выше будет количество выделяющегося водорода.
Помимо производства водородного топлива, 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.
Обложка: Образец фотонных кристаллов, фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
