Naukowcy badają próbkę zmodyfikowanego fotokatalitycznego materiału półprzewodnikowego z dwutlenku tytanu (TiO₂) w Centrum Badań Materiałowych Shenyang – Instytucie Badań Metali Chińskiej Akademii Nauk, 7 kwietnia. Zdjęcie: Agencja Informacyjna Xinhua
Półtora tysiąca lat temu pisarz science fiction Juliusz Verne przewidział, że woda stanie się najważniejszym paliwem przyszłości. Dziś naukowcy pracują nad tym, aby ta prognoza stała się rzeczywistością.
Liu Gang, dyrektor Instytutu Badań Metali Chińskiej Akademii Nauk i szef zespołu badawczego, powiedział, że chińska grupa naukowo-badawcza niedawno osiągnęła przełom w dziedzinie „fotokatalitycznego rozszczepiania wody w celu produkcji wodoru”.
Dzięki „restrukturyzacji” i „wymianie pierwiastków” w fotokatalitycznym materiale półprzewodnikowym, dwutlenku tytanu (TiO₂), zespół znacząco zwiększył wydajność wytwarzania wodoru bezpośrednio ze światła słonecznego.
Odpowiednie wyniki badań opublikowano 8 kwietnia w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society.
Obecnie istnieją dwie główne metody produkcji wodoru z energii słonecznej.
Jedną z metod jest wykorzystanie paneli słonecznych do wytwarzania prądu, a następnie elektroliza wody – chociaż sprzęt ten jest bardzo wydajny, jest on skomplikowany i drogi.
Drugą metodą jest bezpośrednia fotoliza z wykorzystaniem światła słonecznego – wykorzystuje ona materiały półprzewodnikowe, takie jak dwutlenek tytanu, do „rozszczepienia wody” pod wpływem światła słonecznego.
Zespół Liu Ganga skupił swoje badania na drugiej metodzie.
Według wyjaśnienia, tradycyjna metoda rozszczepiania wody za pomocą dwutlenku tytanu napotyka na poważną przeszkodę: gdy światło pada na dwutlenek tytanu, w jego wnętrzu powstają naładowane cząstki (elektrony i dziury), które są „narzędziami” do rozszczepiania wody. Jednak te elektrony i dziury są niestabilne.
Liu Gang wyjaśnił: „Elektrony i dziury są jak samochody wyścigowe, które zgubiły drogę, rozbijając się chaotycznie w labiryncie struktur materialnych; większość z nich rekombinuje i znika w ciągu milionowej części sekundy. Co więcej, wytwarzanie w wysokiej temperaturze często powoduje, że atomy tlenu „opuszczają swoje domy”, tworząc luki tlenowe i zatrzymując elektrony, co zmniejsza wydajność reakcji fotokatalitycznej”.
Aby temu zaradzić, zespół badawczy w kreatywny sposób wprowadził „sąsiedni” pierwiastek tytanu w układzie okresowym – skand (Sc) – w celu udoskonalenia dwutlenku tytanu. Wyniki pokazały, że skand ma trzy główne zalety:
Po pierwsze, promień jonowy Sc jest porównywalny z promieniem jonowym Ti, dzięki czemu można go osadzać w sieci krystalicznej bez zniekształcania jej struktury.
Po drugie, stabilny stan walencyjny Sc pomaga zneutralizować nierównowagę ładunków spowodowaną luką tlenową.
Po trzecie, jony Sc mogą przekształcać powierzchnię kryształu, tworząc specjalną strukturę powierzchniową, w dużej mierze przypominającą budowanie „autostrad i skrzyżowań dla elektronów i dziur elektronowych”, co pomaga im łatwiej wydostać się z labiryntu.
Dzięki zaawansowanym modyfikacjom zespołowi udało się wytworzyć dwutlenek tytanu o wyjątkowych parametrach: jego zdolność absorpcji promieniowania ultrafioletowego przekroczyła 30%, a wydajność produkcji wodoru w symulowanym świetle słonecznym wzrosła 15-krotnie w porównaniu z podobnymi materiałami, ustanawiając nowy rekord w tym systemie materiałowym.
Pan Liu Gang stwierdził: „Jeśli ten materiał zostanie wykorzystany do wytworzenia panelu fotokatalitycznego o powierzchni 1 metra kwadratowego, pod wpływem światła słonecznego może on wyprodukować około 10 litrów wodoru dziennie”.
Naukowcy dodali, że dwutlenek tytanu jest szeroko stosowanym materiałem nieorganicznym w przemyśle, a Chiny odpowiadają za ponad 50% światowej produkcji, tworząc kompletny łańcuch przemysłowy. Jednocześnie Chiny posiadają największe na świecie rezerwy skandu, pierwiastka ziem rzadkich. Stwarza to potencjalną przewagę przemysłową w zakresie rozwoju i zastosowań materiałów fotokatalitycznych w przyszłości.
W miarę jak wydajność fotowoltaicznego rozszczepiania wody stale rośnie, technologia ta ma potencjał do zastosowania w produkcji na skalę przemysłową, co przyczyni się do przekształceń globalnej struktury energetycznej.
Source: https://baotintuc.vn/khoa-hoc-cong-nghe/trung-quoc-dat-dot-pha-moi-trong-tien-trinh-nghien-cuu-bien-nuoc-thanh-nhien-lieu-20250409112539937.htm
Komentarz (0)