150 лет назад мастер научной фантастики Жюль Верн предсказал, что вода станет основным топливом для будущего. Теперь ученые усердно работают над тем, чтобы воплотить эту фантазию в реальность.
Лю Ган, директор Института исследований металлов Китайской академии наук и руководитель исследовательской группы, рассказал, что китайская научно-исследовательская группа в последнее время совершила прорыв в области «фотокаталитического расщепления воды с получением водорода»: благодаря «структурной подтяжке» и «замене элементов» полупроводникового фотокаталитического материала диоксида титана эффективность водорода, полученного путем прямого расщепления воды на солнечном свете, значительно улучшилась. Результаты были опубликованы в журнале Американского химического общества 8/0.
В настоящее время существует два основных способа получения водорода из солнечной энергии: один — это выработка электричества и последующий электролиз воды через солнечные батареи, которые имеют высокую эффективность, но сложное и дорогое оборудование; Второй — прямой фотолиз воды солнечным светом: через полупроводниковые материалы, такие как диоксид титана, молекулы воды «разлагаются» на солнечном свете одним щелчком. Команда Лю Гана в основном сосредоточена на втором техническом маршруте.
По имеющимся данным, существует серьезное препятствие для расщепления воды традиционным диоксидом титана: при попадании света на диоксид титана внутри него образуются заряженные частицы (электроны и дырки), которые являются «инструментами» для разложения воды. Однако эти активированные электроны и дырки нестабильны. «Электроны и дырки похожи на дезориентированные гоночные автомобили, неистовствующие в материале, похожем на лабиринт, и подавляющее большинство электронов и дырок воссоединяются и аннигилируют за миллионную долю секунды. Кроме того, высокотемпературная среда приготовления может легко привести к тому, что атомы кислорода «убегут из дома», образуют кислородные вакансии и захватывают электроны, что сильно снижает эффективность фотокаталитических реакций. — сказал Лю Ган.
Исследовательская группа творчески ввела элемент скандий (Sc), сосед титана в периодической таблице, для модификации диоксида титана. Было проверено, что скандий имеет три преимущества: во-первых, радиус ионов скандия аналогичен радиусу титана, который может быть идеально встроен в его кристаллическую решетку, не вызывая структурной деформации; Во-вторых, стабильное валентное состояние скандия может просто нейтрализовать дисбаланс зарядов, вызванный кислородными вакансиями; В-третьих, ионы скандия могут реконструировать поверхность кристалла и создавать определенную кристаллическую плоскую структуру, подобно возведению «зарядной магистрали и эстакады», что позволяет электронам и дыркам плавно выходить из лабиринта.
Благодаря точному контролю команда успешно разработала материал из диоксида титана со значительно улучшенными характеристиками, с коэффициентом использования ультрафиолета более 10% и эффективностью производства водорода в 0 раз выше, чем у аналогичных материалов при моделировании солнечного света, установив новый рекорд для этой системы материалов. Лю Ган сказал: «Если фотокаталитическая доска площадью 0 квадратного метра изготовлена из этого материала, она может производить около 0 литров водорода в день под солнечным светом. ”
По оценкам научных исследователей, диоксид титана, как неорганический материал с широким спектром промышленного использования, составляет более 50% мировых производственных мощностей, и сформировал полную производственную цепочку, а запасы редкоземельного скандия в Китае также входят в число лучших в мире, что обладает уникальными промышленными преимуществами для последующей разработки и промышленного применения фотокаталитических материалов. Ожидается, что после дальнейших прорывов в эффективности фотокаталитического расщепления воды он получит промышленное применение и будет способствовать модернизации энергетической структуры.