Алмазные материалы могут превращать парниковый газ в ценное топливо

Это похоже на волшебство: фотоэлектроды могут превращать парниковый газ CO2 обратно в метанол или молекулы N2 в ценное удобрение, используя только энергию солнечного света. Исследование HZB показало, что алмазные материалы в принципе пригодны для создания таких фотоэлектродов.

Сочетая рентгеновские спектроскопические методы в BESSY II с другими методами измерений, команде Тристана Пети впервые удалось точно отследить, какие процессы возбуждаются под действием света, а также определить решающую роль поверхности алмазных материалов.

На первый взгляд, выращенные в лаборатории алмазные материалы имеют мало общего со своими тезками в ювелирном магазине. Они часто непрозрачны, темны и выглядят совсем не эффектно. Но даже если их внешний вид не впечатляет, они перспективны для самых разных применений, например, в имплантатах мозга, квантовых датчиках и компьютерах, а также в качестве безметалловых фотоэлектродов в фотоэлектрохимическом преобразовании энергии. Они полностью экологичны, состоят только из углерода, мало деградируют со временем по сравнению с фотоэлектродами на основе металлов и могут производиться промышленным способом!

Алмазные материалы подходят для использования в качестве безметалловых фотоэлектродов, поскольку при возбуждении светом они могут высвобождать электроны в воде и запускать химические реакции, которые трудно инициировать иным способом. В качестве конкретного примера можно привести восстановление CO2 до метанола, превращающего парниковый газ в ценное топливо. Также интересно было бы использовать алмазные материалы для превращения N2 в азотное удобрение NH3, затрачивая при этом гораздо меньше энергии, чем в процессе Хабера-Боша.

Однако алмазные электроды окисляются в воде, а окисленные поверхности, как предполагалось, уже не излучают электроны в воду. Кроме того, полоса пропускания алмаза находится в УФ-диапазоне (при 5,5 эВ), поэтому видимого света вряд ли будет достаточно для возбуждения электронов. Несмотря на это ожидание, предыдущие исследования показали загадочную эмиссию электронов при возбуждении видимым светом. Новое исследование, проведенное группой д-ра Тристана Пети в HZB, позволяет сделать новые выводы и вселяет надежду.

Доктор Арсен Шемин (Arsène Chemin), постдокторант из группы Пети, изучал образцы алмазных материалов, изготовленных в Институте прикладной физики твердого тела Фраунгофера во Фрайбурге. Образцы были сконструированы таким образом, чтобы облегчить реакцию восстановления CO2: легированы бором для обеспечения хорошей электропроводности и наноструктурированы, что дает им огромную поверхность для увеличения эмиссии носителей заряда, таких как электроны.

Шемин использовал четыре метода рентгеновской спектроскопии в BESSY II для определения характеристик поверхности образца и энергии, необходимой для возбуждения определенных электронных состояний поверхности. Затем он использовал поверхностное фотонапряжение, измеренное в специализированной лаборатории в HZB, чтобы определить, какие из этих состояний возбуждаются и как перемещаются носители заряда в образцах. В дополнение к этому он измерил фотоэмиссию электронов из образцов, находящихся в воздухе или в жидкости. Объединив эти результаты, он впервые смог составить полную картину процессов, происходящих на поверхности образца после возбуждения светом.

Удивительно, но мы не обнаружили практически никакой разницы в фотоэмиссии зарядов в жидкости, независимо от того, были ли образцы окислены или нет, — говорит Шемин.

Это говорит о том, что алмазные материалы хорошо подходят для использования в водных растворах». Возбуждение видимым светом также возможно: в случае образцов, легированных бором, для возбуждения электронов достаточно фиолетового света (3,5 эВ).

«Эти результаты вселяют оптимизм», — говорит Шемин: „Благодаря алмазным материалам мы получили новый класс материалов, которые можно исследовать и широко использовать“. Более того, интересна и сама методология этого исследования: Сочетание этих различных спектроскопических методов может привести к новым открытиям и в других фотоактивных полупроводниковых материалах, указывает физик.

21.09.2023