Теперь исследовательская группа под руководством Кадзухико Маэда из Tokyo Tech разработала новый фотокатализатор, состоящий из наноразмерных листов оксида металла и молекулы рутениевого красителя, который работает по механизму, аналогичному сенсибилизированным красителем солнечным элементам. В то время как оксиды металлов, которые фотокаталитически активны для общего расщепления воды на H2 и O2, имеют широкую запрещенную зону, сенсибилизированные красителем оксиды могут использовать видимый свет, основной компонент солнечного света.
Новый фотокатализатор способен генерировать H2 из воды с частотой обращения 1960 в час и внешним квантовым выходом 2.4%.
Эти результаты являются самыми высокими, зарегистрированными для сенсибилизированных красителями фотокатализаторов в видимом свете, что приближает команду Маэды к цели искусственного фотосинтеза – воспроизведению естественного процесса использования воды и солнечного света для устойчивого производства энергии.
Новый материал, о котором сообщается в журнале Американского химического общества, состоит из нанолистов ниобата кальция с большой площадью поверхности (HCa2Nb3O10), интеркалированных нанокластерами платины (Pt) в качестве центров выделения H2. Однако нанолисты, модифицированные платиной, не работают в одиночку, поскольку они не поглощают солнечный свет эффективно.
Таким образом, молекула рутениевого красителя, поглощающего видимый свет, объединяется с нанолистом, что обеспечивает выделение H2 под действием солнечной энергии.
Что делает материал эффективным, так это использование нанолистов, которые можно получить путем химического расслоения пластинчатого HCa2Nb3O10. Большая площадь поверхности и структурная гибкость нанолистов максимизируют содержание красителя и плотность участков выделения H2, что, в свою очередь, повышает эффективность выделения H2. Кроме того, для оптимизации производительности команда Маэды модифицировала нанолисты аморфным оксидом алюминия, который играет важную роль в повышении эффективности переноса электронов. «Беспрецедентно то, что модификация оксидом алюминия для нанолистов способствует регенерации красителя во время реакции, не препятствуя инжекции электронов из красителя в возбужденном состоянии в нанолист ¬ — первичный этап сенсибилизированного красителем выделения H2 », – говорит Маэда.
«До недавнего времени считалось, что очень сложно добиться выделения H2 за счет общего расщепления воды в видимом свете с использованием сенсибилизированного красителем фотокатализатора с высокой эффективностью», – объясняет Маэда. «Наш новый результат ясно показывает, что это действительно возможно, если использовать тщательно разработанный гибрид молекулы и наноматериала."
Еще предстоит провести дополнительные исследования, поскольку потребуется дальнейшая оптимизация конструкции гибридного фотокатализатора для повышения эффективности и долговечности.
Фотокаталитическое расщепление воды может быть решающим средством удовлетворения потребностей общества в энергии без дальнейшего ущерба для окружающей среды, и такие исследования, как это, являются важными ступенями к достижению нашей цели – более зеленого будущего.