Разработанный в научном центре Science Tokyo новый фотокатализатор, сенсибилизированный красителем, позволяет улавливать длинноволновый видимый свет для эффективного преобразования водорода, превосходя по своим характеристикам традиционные фотокатализаторы.

Заменив металлический центр традиционных комплексов на осмий, исследователи получили фотокатализатор, способный поглощать свет с длиной волны более 600 нанометров. Это изменение профиля поглощения позволяет системе использовать более широкий диапазон солнечного спектра, генерируя больше возбужденных электронов для повышения эффективности выделения водорода.

Усовершенствованные фотокатализаторы на основе красителей для получения водорода с использованием длинноволнового солнечного излучения

Получение водорода из солнечного света — перспективная стратегия, позволяющая производить экологически чистое и возобновляемое топливо без выбросов углекислого газа. Процесс преобразования солнечной энергии в водород часто включает использование фотокатализаторов (светопоглощающих катализаторов), которые поглощают солнечный свет и используют солнечную энергию для расщепления воды на водород и кислород.

В большинстве традиционных систем фотокатализаторы поглощают лишь часть видимого спектра света, а это значит, что большая часть солнечной энергии остается неиспользованной. Для повышения эффективности производства водорода необходимы новые фотокатализаторы, способные улавливать более широкий диапазон солнечного света.

Для решения этой задачи исследовательская группа под руководством профессора Казухико Маэды и аспирантки Харуки Ямамото из Токийского научного института (Science Tokyo), Япония, разработала новый фотокатализатор на основе красителя , способный поглощать длинноволновый видимый свет с длиной волны до 800 нанометров.

В их исследовании, опубликованном в журнале ACS Catalysis, сообщается о повышении эффективности преобразования солнечной энергии в водород — до двух раз выше, чем у традиционных систем.

Фотокатализаторы, сенсибилизированные красителями, — это фотокаталитические материалы, получаемые путем объединения катализатора с молекулой красителя, поглощающей видимый свет. Молекула красителя действует как миниатюрная антенна, которая улавливает солнечный свет и передает энергию на поверхность катализатора.

«В фотокатализаторах, сенсибилизированных красителями, обычно используются комплексы рутения в качестве фотосенсибилизирующих красителей. Однако комплексы на основе рутения, как правило, поглощают только более короткие видимые длины волн до 600 нм», — объясняет Маэда.

Сосредоточившись на этом факторе, команда заменила металлическое ядро ​​комплекса, заменив рутений на осмий. Это изменение значительно расширило диапазон поглощения солнечной энергии, позволив фотокатализатору использовать больше солнечной энергии, генерируя дополнительные возбужденные электроны, которые напрямую способствуют повышению эффективности выделения водорода.

Улучшение обусловлено эффектом тяжелого атома осмия, который способствует синглет-триплетному возбуждению — низкоэнергетическому электронному переходу, позволяющему поглощать длинноволновый видимый свет.

«В наших усилиях по расширению диапазона поглощения света осмий оказался ключевым элементом, позволяющим получить доступ к длинам волн, недоступным для комплексов рутения, что привело к двукратному увеличению эффективности производства водорода», — говорит Маэда.

Повышенная эффективность свидетельствует о том, что фотокатализатор способен преобразовывать больше поступающих фотонов в химическую энергию даже при слабом или рассеянном солнечном свете. Это особенно полезно для таких технологий, как искусственный фотосинтез и материалы для преобразования солнечной энергии, работающие в реальных солнечных условиях.

Пока ученые продолжают оптимизировать металлокомплексы, текущие исследования закладывают важную основу для фотокатализаторов следующего поколения, открывая путь к будущим технологиям и более широкому использованию устойчивой энергетики.