Новости химической науки > Лоскуты из оксида галлия расщепляют воду

Разработка экономически выгодного способа расщепления воды на кислород и водород, представляющий собой экологически чистое топливо, позволило бы использовать Мировой океан в качестве практически безграничного источника энергии. Новая стратегия для дизайна разработки катализаторов фоторазложения воды может приблизить наступление эры водородной энергетики.

Исследователи из Китая обнаружили, что кристаллы полупроводящего Ga₂O₃, организованные в мозаику из наноразмерных доменов, каждый из которых обладает структурным единством, способен к фоторасщеплению воды. Результаты исследования демонстрируют, что граница раздела между полиморфными кристаллическими фазами играет ключевую роль в разложении воды, которое стимулируется действием солнечного света. Результаты работы могут привести к созданию фотокатализаторов, более активных по сравнению с доступными в настоящее время, относительно малоэффективными системами.

Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201207554

Фотокатализаторы расщепляют воду за счет энергии поглощенного электромагнитного излучения, чаще всего – видимого света, которая перенаправляется каталитической системой на разрушение химических связей воды. В основе процесса лежит поглощение света, в результате которого происходит образование пары электрон-дырка (соответственно носители отрицательного и положительного заряда). Ключом к успеху в использовании энергии поглощенного света является возможность удерживать образовавшиеся заряды в разделенном состоянии – рекомбинация зарядов может способствовать рассеиванию энергии до разрыва целевых связей.

Обычная стратегия для удерживания зарядов в разделенном состоянии в полупроводниках-фотокатализаторах заключается в селективном легировании материала и формирования соседствующих островков, несущих положительный заряд (p-тип) и отрицательный заряд (n-тип). Исследователи также работают над созданием p-n сопряжений за счет отложения двух типов полупроводников по соседству друг с другом.

Результаты нового исследования, проведенного Сян Вонгом (Xiang Wang) из Института Химической Физики в Даляне демонстрируют альтернативную возможность стабилизации разделенных зарядов. Исследователи из Даляня эксплуатировали не p-n-соединения, а контакты между структурно непохожих наноразмерных доменов Ga₂O₃. Известно, что этот оксид образует пять различных кристаллических полиморфных фаз.

Исследователи продемонстрировали, что простое нагревание может быть использовано для настройки распределения наноразмерных доменов Ga₂O₃ – α- и β-фаз. Затем они продемонстрировали, что смесь α- и β-фаз, полученная с помощью нагревания исходного вещества до 600°C, проявляют в семь раз большую каталитическую активность в расщеплении воды, чем образец катализатора, слотоящий лишь из какой-то одной фазы Ga₂O₃.

Казунари Домен (Kazunari Domen) из Университета Токио отмечает, что хотя в этом концептуальном исследовании активность фотокатализаторов на основе Ga₂O₃ не была очень велика, предложенная стратегия может оказаться полезной для увеличения каталитической эффективности фотокатализаторов расщепления воды.

Источник: Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201207554

метки статьи: #кинетика и катализ, #нанотехнологии, #неорганическая химия