Преобразование солнечной энергии в энергию водорода представляет собой многообещающий и экологически чистый метод решения проблемы нехватки энергии и сокращения выбросов ископаемого топлива. Исследовательская группа из Городского университета Гонконга (CityU) недавно разработала не содержащий свинца фотокатализатор на основе перовскита, который обеспечивает высокоэффективное преобразование солнечной энергии в водород.

Что наиболее важно, они раскрыли межфазную динамику твердого тела (между молекулами галогенидного перовскита) и твердого тела (между галогенидным перовскитом и электролитом) в процессе фотоэлектрохимического производства водорода . Последние результаты открывают возможности для разработки более эффективного метода производства водородного топлива на солнечной энергии в будущем.

Водород считается лучшей и более перспективной альтернативой возобновляемым источникам энергии из-за его изобилия, высокой плотности энергии и экологичности. Помимо фотоэлектрохимического расщепления воды, другим многообещающим методом производства водорода является расщепление галогеноводородной кислоты с использованием фотокатализаторов, работающих на солнечной энергии. Но долгосрочная стабильность фотокатализаторов является серьезной проблемой, поскольку большинство катализаторов, изготовленных из оксидов переходных металлов или металлов, нестабильны в кислых условиях.

«Для решения этой проблемы стабильности используются гибридные перовскиты на основе свинца, но высокая растворимость в воде и токсичность свинца ограничивают их потенциал для широкого применения», — пояснил доктор Сэм Хсу Сянь-Йи, доцент Школы энергетики и окружающей среды. и Департамент материаловедения и инженерии CityU.

«Напротив, было подтверждено, что перовскиты на основе висмута представляют собой нетоксичную, химически стабильную альтернативу для применения в качестве солнечного топлива, но фотокаталитическую эффективность необходимо повысить».

Стремясь разработать эффективный и стабильный фотокатализатор, доктор Хсу и его сотрудники недавно разработали галогенидный перовскит на основе висмута со структурой воронкообразной запрещенной зоны для высокоэффективного транспорта носителей заряда. Это перовскит со смешанным галогенидом, в котором распределение йодид-ионов постепенно уменьшается от поверхности к внутренней части, образуя воронкообразную структуру запрещенной зоны, которая способствует фотоиндуцированному переносу заряда изнутри на поверхность для эффективной фотокаталитической окислительно-восстановительной реакции.

Этот недавно разработанный перовскит обладает высокой эффективностью преобразования солнечной энергии, демонстрируя скорость образования водорода, повышенную примерно до 341 ± 61,7 мкмоль ч -1 с платиновым сокатализатором при облучении видимым светом. Результаты были опубликованы в журнале Small Methods.

Но команда доктора Сюй не остановилась на достигнутом. «Мы хотели изучить динамические взаимодействия между молекулами галогенида перовскита и молекулами на границе раздела между фотоэлектродом и электролитом, которые оставались неизвестными», — сказал доктор Сюй.

«Поскольку фотоэлектрохимическое производство водорода включает каталитический процесс, высокоэффективное производство водорода может быть достигнуто за счет интенсивного поглощения света с использованием полупроводника в качестве фотокатализатора с подходящей структурой энергетических зон и эффективным разделением зарядов, чему способствует внешнее электрическое поле, формируемое вблизи полупроводника-жидкости. интерфейс.»

Чтобы обнаружить динамику переноса экситона, команда использовала фотолюминесценцию с временным разрешением, зависящую от температуры, для анализа переноса энергии электронно-дырочных пар между молекулами перовскита. Они также оценили коэффициент диффузии и константу скорости переноса электронов галогенидных перовскитных материалов в растворе, чтобы проиллюстрировать эффективность переноса электронов через границы твердой и жидкой фаз между фотоэлектродом на основе перовскита и электролитом.

«Мы продемонстрировали, как наш недавно разработанный фотокатализатор может эффективно обеспечивать высокопроизводительное фотоэлектрохимическое генерирование водорода в результате эффективного переноса заряда», — сказал доктор Хсу.

В ходе эксперимента команда также доказала, что структурированные галоидные перовскиты с воронкой запрещенной зоны обеспечивают более эффективное разделение заряда и процесс переноса между поверхностью электрода и электролитом.

Улучшенное разделение зарядов может стимулировать миграцию носителей заряда на поверхность галогенидных перовскитов, нанесенных на проводящие стекла в качестве фотоэлектрода, что обеспечивает более быструю фотоэлектрохимическую активность на поверхности фотоэлектрода. Следовательно, эффективный перенос заряда внутри галогенидных перовскитов с воронкообразной запрещенной зоной демонстрировал повышенную плотность фототока при облучении светом.

«Раскрытие межфазной динамики этих новых материалов в процессе фотоэлектрохимического производства водорода является решающим прорывом», — пояснил доктор Сюй. «Углубленное понимание межфазных взаимодействий между галогенидными перовскитами и жидкими электролитами может создать научную основу для исследователей в этой области для дальнейшего изучения разработки альтернативных и полезных материалов для производства водорода с помощью солнечной энергии».