Новые фотонно-кристаллические структуры, повышающие эффективность фотоиндуцированного расщепления воды для получения водорода, разработали специалисты Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН, 8 июля сообщает местное издание «Городские новости».

Новую структуру для фотоэлектродов, используемых для получения водорода из воды с использованием солнечной энергии, исследователи создали на основе оксида титана (TiO₂), обладающего высокой стабильностью, нетоксичностью и низкой стоимостью.

Младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН аспирант Николай Зосько пояснил:

«Оксид титана химически стабилен и устойчив к коррозии, что обеспечивает его долговечность в процессе работы. Этот материал нетоксичен и обладает низкой стоимостью. Таким образом, оксид титана обладает уникальными свойствами, которые делают его одним из наиболее перспективных фотокатализаторов для фотоэлектрохимического разложения воды».

Результаты исследования ученые представили в серии статей, в том числе последние — в статье «Получение и активация TiO₂ фотонно-кристаллических структур для повышения эффективности реакции фотоэлектрохимического разложения воды», опубликованной в Журнале Сибирского федерального университета. Химия.

При фотоэлектрохимическом разложении воды для производства водорода используются полупроводниковые фотоэлектроды, которые, поглощая солнечную энергию, расщепляют воду на водород и кислород. Использование энергии солнца позволяет снизить затраты на производство водорода как экологичного топлива.

Водородное топливо представляет собой чистый водород, используемый в топливных элементах и двигателях внутреннего сгорания. Его преимуществами является высокая эффективность и бесшумность работы двигателя.

Так, автомобили с водородным двигателем проезжают в три раза большее расстояние на меньшем количестве топлива по сравнению с автомобилями, работающими на бензине. Они так же экологичны, как электрокары, но заправляются за меньшее время.

Однако в настоящее время добыча водородного топлива требует высоких затрат, во многом идущих на обеспечение безопасности этого процесса. И вот здесь на помощь приходит фотоэлектрохимическое разложение воды.

Этот процесс происходит в специальных устройствах — фотоэлектрохимических ячейках, в которых при облучении светом полупроводниковых фотоанодов происходит разложение молекул воды на водород и кислород. Последний выделяется в окружающую среду, а водород используется для производства экологически чистого топлива.

Эффективность работы такого устройства зависит от стабильно работающих фотоэлектродов, которые должны эффективно поглощать солнечный свет. Но стабильный диоксид титана — широкозонный полупроводник, то есть он обладает широкой запрещенной зоной, которая позволяет ему работать только в ультрафиолетовой области спектра.

Солнечный свет, достигающий земной поверхности, содержит лишь около 4% ультрафиолета, поэтому перед красноярскими исследователями встала задача повышения эффективности работы нанотрубок диоксида титана в видимом свете. Для ее решения ученые из КНЦ СО РАН и Сибирского федерального университета предложили использовать фотонно-кристаллическую структуру.

С фотонно-кристаллическими структурами почти каждому из нас приходилось сталкиваться в повседневной жизни. Такой структурой обладает природный камень опал. Он состоит из высокоупорядоченных рядов шариков оксида кремния. Другим примером являются переливающиеся на солнце спинки ярко-зеленых жуков, состоящие из упорядоченных частиц хитина.

Строение твердой фазы фотонных кристаллов приводит к периодически изменяющимся показателям диэлектрической проницаемости среды, формирующим так называемую фотонную запрещенную зону — в ней свет не может распространяться в кристалле из-за его периодической структуры.

Групповая скорость фотонов вблизи фотонной запрещенной зоны падает, и возникает эффект «медленных фотонов» («медленного света»), в результате эффективность улавливания солнечного света может значительно повышаться.

«При работе с фотонными кристаллами проблемой является уже сам по себе процесс их получения. В основном для этого используются достаточно дорогие и трудоемкие методы. В нашей же работе мы использовали простой и дешевый метод двухстадийного электрохимического анодирования», — рассказал Николай Зосько.

Сначала подготавливалась рельефная подложка как трафарет для будущих нанотрубок. Далее на ней методом переменного импульса высокого и низкого напряжения выращивались сами нанотрубки. При этом морфологию фотонного кристалла, определяющую его оптические свойства, можно изменять в значительных пределах за счет изменения величины напряжения и длительности импульса.

Нанотрубки, выращенные таким способом, напоминают стебель бамбука, расширяясь при импульсе высокого напряжения и сужаясь при низком напряжении. В результате фотоэлектрод с новой структурой стал эффективнее поглощать и преобразовывать свет с большей длиной волны, включая инфракрасную область спектра.

Эксперименты показали, что при использовании бамбукоподобных нанотрубок для создания фотоэлектрода эффективность преобразования падающего фотона в электрон по сравнению с гладкими нанотрубками увеличилась от 1,3 раза в видимом свете до трех раз при облучении ультрафиолетом, пропорционально увеличивая количество выделяющегося водорода.

Таким образом, красноярские ученые одними из первых продемонстрировали возможность повышения фотоэлектрохимической активности нанопленок титана при расщеплении воды за счет использования фотонно-кристаллических наноструктур. При этом предложенный ими способ их изготовления прост, экологичен и достаточно эффективен, что делает перспективным использование фотоанодов из этого материала для получения водорода.