JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа

Фотокаталитическое выделение водорода из воды — важная технология для устойчивого производства водорода. Но как микроскопическая структура молекул воды влияет на этот процесс, пока не изучено.

В этом исследовании выяснили, как структура и динамика водородных связей, а также оптимальная водная среда влияют на выделение H2. Результаты исследования помогут создать условия межфазной воды, которые повысят эффективность фотокатализа.

Производство водорода путём расщепления воды — это устойчивое решение для получения энергии нового поколения. Процесс происходит при комнатной температуре за счёт использования световой энергии.

Однако разработка фотокатализаторов пока сложна, так как учёные не до конца понимают свойства межфазных молекул воды и их сетей водородных связей. Понимание этих свойств критически важно для оптимизации производства водорода.

Исследователи под руководством Тошики Сугимото изучили влияние межфазных сетей H-связей на фотокатализаторы TiO₂ и выяснили, как они влияют на выделение H₂.

Учёные контролировали толщину адсорбированной воды, точно регулируя давление водяного пара. Это позволило им с помощью масс-спектрометрии и инфракрасной абсорбционной спектроскопии в режиме реального времени показать связь между скоростью образования H₂ и структурой H-связей.

При любой кристаллической структуре фотокатализатора TiO₂ (брукит, анатаз или смесь анатаза и рутила) скорость образования H₂ увеличивалась линейно при адсорбции воды до трёх слоёв. Это говорит о том, что реакционноспособные молекулы воды есть не только в первом слое, но и в нескольких вышележащих.

Когда поверхность TiO2 покрывали более чем тремя слоями воды, скорость образования водорода резко снижалась. В этом случае инфракрасные спектры показывали два типа адсорбированной воды: межфазную воду и воду, похожую на жидкость. Из-за многотеловых взаимодействий между молекулами воды в слоях, превышающих три, жидкоподобная вода усиливала межфазные связи. Это препятствовало переносу протонов и дырок и снижало скорость образования H₂.

Исследование показало, что осаждение трёх слоёв воды в среде водяного пара оптимально для выделения водорода методом фотокатализа.

Фотокатализ активно исследуется более полувека, обычно в водных растворах. Это исследование предлагает новый подход, показывая эффективность среды водяного пара по сравнению с традиционными системами. Результаты открывают новые возможности для разработки инновационных систем производства возобновляемой энергии следующего поколения.

19.07.2024