Исследователи из Швейцарии и Республики Корея разработали тонкий фотокаталитический материал на основе органических полупроводников, способный расщеплять воду на водород и кислород под действием солнечного света без внешнего источника электричества. Результаты работы учёных Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) опубликованы 11 ноября в журнале Nature Energy.
Получение водорода непосредственно из воды и солнечной энергии рассматривается как перспективный способ производства низкоуглеродного топлива. Однако существующие технологии прямого фотокаталитического расщепления воды часто требуют сложных неорганических материалов и технологических процессов, затрудняющих создание больших рабочих поверхностей.
Авторы нового исследования предложили использовать органические полупроводники, которые можно наносить на подложку из раствора. Такие материалы привлекают внимание учёных возможностью сравнительно недорогого изготовления тонких плёнок большой площади.
Главной задачей было объединить в одной системе две реакции: образование водорода и выделение кислорода. Для этого исследователи использовали общий светопоглощающий органический слой, размещённый поверх участков с различными молекулярными покрытиями.
В зависимости от свойств нижележащего контактного слоя один и тот же полупроводниковый материал направляет электрические заряды на разные реакции. На одних участках происходит восстановление с образованием водорода, на других — окисление воды с выделением кислорода.
Иными словами, исследователи создали искусственную фотосинтетическую систему: материал поглощает свет, разделяет возникшие электрические заряды и использует их для химического превращения воды.
Эксперименты показали, что разработанная фотокаталитическая плёнка способна выполнять обе реакции одновременно без подачи внешнего электрического напряжения.
При освещении, имитирующем солнечный свет, экспериментальное устройство производило водород со стабилизированной скоростью 1,3 микромоля в час на квадратный сантиметр поверхности. Соотношение выделяющихся водорода и кислорода соответствовало химической реакции расщепления воды — приблизительно два к одному.
Эффективность преобразования солнечной энергии в энергию получаемого водорода составила около 0,1%. Система сохраняла активность более двух часов, хотя интенсивность выделения газа постепенно снижалась.
Учёные также исследовали влияние размеров участков, на которых происходят две химические реакции. Наилучшие результаты показали структуры с характерным размером микродоменов около одного миллиметра. При уменьшении этих участков эффективность снижалась из-за дополнительных потерь электрических зарядов.
Для изготовления функциональных покрытий исследователи использовали методы нанесения материалов из раствора, включая технологию распыления. Это создаёт предпосылки для разработки более масштабируемых производственных процессов.
Вместе с тем авторы подчёркивают, что практическому применению ещё препятствуют низкая эффективность и недостаточная долговечность материала. Необходимо повысить устойчивость органических полупроводников к воздействию воды и кислорода, уменьшить потери зарядов и усовершенствовать катализаторы отдельных реакций.
Главное достижение работы заключается не в высокой производительности водорода, а в демонстрации нового принципа устройства: единый органический светопоглощающий слой способен обеспечивать обе стадии полного расщепления воды.
Результаты открывают возможности для дальнейшего развития тонкоплёночных фотокаталитических систем, которые в перспективе могли бы производить водород непосредственно из солнечного света и воды без отдельной солнечной батареи и электролизёра.
