Водород является многообещающим "зеленым" энергоносителем для устойчивого будущего. Однако в основном он заперт в воде. Требуется энергия, чтобы высвободить его из воды для практического использования. Солнечная энергия в изобилии возобновляема и идеально подходит для прямого расщепления воды с получением водорода с помощью "фотокатализатора". Однако, несмотря на значительные усилия, практическое внедрение шло медленно из-за относительно низкой эффективности и высокой стоимости катализатора.
Исследовательская группа, возглавляемая профессором Чжэн-Сяо ГО и профессором Дэвидом Ли Филлипсом из Объединенной лаборатории новых материалов HKU-CAS и химического факультета Университета Гонконга (HKU), сообщила об открытии важного на месте процесс протонирования, который определяет фотодинамику и разделение носителей заряда в фотокатализаторе, приводит к эффективному получению водорода из воды с использованием видимого солнечного света. Этот процесс реализуется в структуре нитрида углерода, легированного промежуточным фосфором, с использованием только неметаллических элементов, богатых землей, что обеспечивает его экономическую эффективность и высокий потенциал для практического применения. Результаты исследования недавно опубликованы онлайн в Энергетика и наука об окружающей среде.
Предыстория и достижения
Обширные исследовательские усилия были направлены на разработку фотокатализаторов для преобразования энергии на солнечной энергии с улучшенной активностью, эффективностью и долговечностью, главным образом за счет разделения заряда, переноса и использования. Однако сложный многоэлектронный перенос, протонная связь и промежуточная динамика - все это может влиять на фотокаталитический путь, кинетику и эффективность, которые до конца не изучены. Таким образом, крайне желательно способствовать углубленным исследованиям, объединяющим инновационный дизайн синтеза, микроскопические и спектроскопические характеристики и атомное моделирование на молекулярном уровне.
Полностью оценив текущие усилия и проблемы в области фотокатализа, команда HKU рассмотрела фундаментальные вопросы под другим углом и предложила новый фундаментальный процесс фотокаталитического механизма, опосредуемого протонами, для улучшения фотодинамики, разделения зарядов и, следовательно, общей эффективности промежуточного нитрида углерода, легированного фосфором., g-C3N4. Тот на месте протонно-опосредованный механизм указывает на новую роль молекулы воды не только как растворителя или реагента, но и как эффективного модификатора зонной структуры катализатора в общей конструкции эффективных фотокаталитических процессов.
По сути, команда разработала эффективный атомный гетеропереход с помощью стабилизированного пористостью интерстициального P-легирования и на месте протонирование для индуцирования состояний неглубокой ловушки, которые эффективно: а) увеличивают время жизни возбужденных состояний и б) ограничивают нежелательное глубокое улавливание заряда, что приводит к эффективному разложению воды. Впервые команда определила, что на месте протонирование промежуточно закрепленного фосфора в дырявом g-C3-хN4 это очень эффективная структурная конфигурация катализатора для высокоэффективного и стабильного получения водорода в видимом свете.
"Мы ожидаем, что наше открытие откроет новое направление в разработке будущих фотокатализаторов для эффективного использования солнечной энергии, уделяя больше внимания оперируемый структурный динамизм как жизнеспособный способ повысить эффективность преобразования", - сказал профессор Чжэн-Сяо Го.
"Спектроскопические исследования показывают красочный мир наноматериалов, и это прольет больше света на механистические идеи науки и технологий", - вторит профессор Дэвид Ли Филлипс.
Комментарии