Исследователи из Йельского университета разработали технологию, которая позволяет в реальном времени наблюдать, как солнечный свет превращается в топливо. Система отслеживает работу фотокатализатора, материала, который под действием света запускает химическую реакцию и расщепляет воду на водород и кислород. При этом ученые могут видеть, как внутри материала движутся электроны и так называемые «дырки» — области с нехваткой электронов, отвечающие за перенос заряда. Все процессы фиксируются на наноуровне, то есть на масштабе отдельных структур вещества.
Пространственное разрешение достигает 10 нм. Эксперименты показали четкое разделение между двумя химическими процессами — восстановлением и окислением. В системе на основе платины и легированного ниобием диоксида титана катодные и анодные участки находятся на расстоянии около 150 нм друг от друга. В отдельных точках на поверхности материала зафиксировали разное электрическое напряжение: примерно −0,53 и +0,58 В относительно условной точки отсчета (электрода сравнения). Это показывает, что на поверхности возникают участки с разным зарядом, что важно для протекания реакции.
Команда создала установку, которая одновременно измеряет электрический ток и напряжение. Для этого ученые сделали тонкий кварцевый зонд с встроенной платиновой проволокой толщиной всего в несколько нанометров, с таким наконечником можно работать на уровне отдельных структур материала. Система фиксирует, сколько электронов проходит через поверхность (ток), и какое напряжение заставляет их двигаться. Основная сложность заключалась в том, чтобы аккуратно подвести зонд к поверхности, он должен касаться ее для измерений, но при этом не повредить материал и сохранять точное положение.
Анализ показал, что во время реакции в материале одновременно присутствуют и чистая платина, и её соединения с кислородом — это важно для работы катализатора. Ученые также зафиксировали разницу энергетических уровней внутри материала около 1,5 эВ: она помогает направлять движение заряженных частиц (электронов и «дырок») и тем самым повышает эффективность реакции. Исследование проводилось на диоксиде титана с добавками, которые улучшают его свойства. Руководитель проекта Шу Ху отметил, что впервые удалось наблюдать работу катализатора в условиях, близких к реальным, и при этом с высокой точностью. Результаты опубликованы в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ученые работают над различными подходами к производству солнечного топлива. Команда из Кембриджского университета создала искусственный лист на основе перовскита, способный генерировать синтез-газ из солнечного света и воды. Исследователи из Токийского университета представили гибридную систему с квантовыми точками для повышения эффективности фотокаталитического расщепления. Группа из Технологического института Карлсруэ работает над масштабируемыми реакторами для производства водорода с использованием наночастиц оксида железа.
Ранее мы писали о том, что ученые предложили отправиться к Меркурию на солнечном парусе.
