Исследование нового высокоэффективного катализатора для расщепления воды на кислород и водород с помощью света (фотолиз), провели совместно с коллегами ученые из Института биохимической физики (ИБХФ) им. Н. М. Эмануэля РАН, 13 февраля сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу Российского научного фонда.

Учеными было выполнено компьютерное моделирование процесса расщепления воды солнечным светом в присутствии катализатора, представляющего собой монослойный кристаллический полупроводник на основе молибдена, серы, селена и теллура, которое показало, что добавление в воду такого катализатора при фотолизе повышает выход водорода до 67%.

Результаты работы исследователи, в состав которых вошли также ученые из Института геологии и минералогии СО РАН, Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН, Сибирского федерального университета и Новосибирского государственного университета, представили в статье, опубликованной в International Journal of Hydrogen Energy.

Исследования процесса расщепления воды под воздействием солнечного света проводились японскими учеными еще в 1970-х годах. В качестве катализаторов они использовали полупроводники на основе диоксидов титана, но их эффективность оказалась слишком низкой.

Больший интерес для этих целей представляли катализаторы на основе дихалькогенидов переходных металлов — полупроводников, в которых один слой атомов металла располагается между двумя слоями атомов халькогена (сера, селен или теллур).

Такие катализаторы обладают высокой стабильностью и разнообразием структур и химических составов. Наиболее подходящими для расщепления воды оказались монослои с наноструктурой Януса, названной так в честь двуликого древнеримского бога. То есть такие, где верхний и нижний ряды атомов состоят из разных элементов. Эта особенность монослоев Януса позволяет им ускорять реакцию разложения воды при воздействии света.

Для проведения компьютерного моделирования фотокаталитических реакций в присутствии монослойных кристаллических полупроводников с Янус-структурой команда исследователей выбрала соединения на основе серы, молибдена, селена и теллура (S, Mo, Se, Te).

Самым перспективным катализатором для производства солнечного водорода оказался материал на основе соединения SMoTe. Прогнозируемая моделью эффективность преобразования солнечной энергии в водород составила 54% для нейтральной и 67,1% для кислой среды, тогда как общепринятый предел для коммерциализации такой технологии равен 18%.

Соединения SMoSe, SMoO, SeMoO и SeMoTe (O — кислород), также исследованные с помощью модели в качестве катализаторов для выделения водорода из воды, показали эффективность выше указанного предела и, как заявляют исследователи, могут служить катализаторами фотолиза в разных средах (либо в нейтральных, либо в кислых в зависимости от химического состава соединения).

Результаты данного теоретического исследования могут быть использованы на практике. Руководитель проекта, старший научный сотрудник ИБХФ РАН, кандидат физико-математических наук Захар Попов пояснил:

«Расщепление воды под воздействием солнечного света представляет практический интерес, поскольку использование полученного таким образом водорода может сократить выбросы парниковых газов, удовлетворить растущий глобальный спрос на энергию, а также решить проблемы, связанные с устойчивым энергоснабжением по всему миру. В своей работе мы показали, что семейство катализаторов, которые мы изучили, содержит новые динамически устойчивые структуры с выдающимися свойствами для практического применения».