Китай совершает новый прорыв в исследованиях по превращению воды в топливо

По данным информационного агентства «Синьхуа», результаты соответствующего исследования были опубликованы в журнале Американского химического общества 8 апреля.

Ученые тестируют образец полупроводникового фотокатализатора на основе диоксида титана (TiO₂) после его усовершенствования в лаборатории Шэньянского центра исследований материалов Института исследований металлов Китайской академии наук 7 апреля. Фото: Синьхуа

150 лет назад писатель-фантаст Жюль Верн предсказал, что вода станет основным топливом будущего. Сегодня ученые работают над тем, чтобы сделать это предсказание реальностью.

Лю Ган, директор Института исследований металлов Китайской академии наук и руководитель исследовательской группы, сообщил, что китайская научно-исследовательская группа недавно достигла прорывного прогресса в области «фотокаталитического расщепления воды для получения водорода».

Путем «реструктуризации» и «замены элементов» в фотокаталитическом полупроводниковом материале диоксиде титана (TiO₂) команда значительно повысила эффективность получения водорода непосредственно из солнечного света.

Результаты соответствующего исследования были опубликованы в Журнале Американского химического общества 8 апреля.

В настоящее время существует два основных метода получения водорода из солнечной энергии.

Один из них — использовать солнечные панели для выработки электроэнергии, а затем проводить электролиз воды. Несмотря на высокую эффективность, оборудование для этого сложное и дорогое.

Второй метод — прямой фотолиз с использованием солнечного света, при котором полупроводниковые материалы, такие как диоксид титана, «расщепляют воду» под действием солнечного света.

Команда Лю Гана сосредоточилась на втором методе.

Согласно введению, традиционный метод использования диоксида титана для расщепления воды имеет большое препятствие: когда свет падает на диоксид титана, он генерирует внутри электрически заряженные частицы (электроны и электронные дырки), эти частицы являются «инструментами» для расщепления воды. Однако эти электроны и электронные дырки нестабильны.

«Электроны и дырки подобны гоночным автомобилям, которые сбились с пути, беспорядочно натыкаясь на лабиринт, которым является структура материала; большинство из них воссоединятся и исчезнут в течение миллионной доли секунды. Кроме того, высокотемпературный процесс изготовления часто заставляет атомы кислорода «покидать дом», создавая кислородные вакансии и захват электронов, все это снижает эффективность фотокаталитической реакции», — объяснил Лю Ган.

Чтобы преодолеть это, исследовательская группа творчески ввела «соседний» элемент титана в периодической таблице – скандий (Sc) для улучшения диоксида титана. Результаты показали, что элемент скандий имеет три основных преимущества:

Во-первых, ионный радиус Sc аналогичен радиусу Ti, поэтому его можно встраивать в кристаллическую решетку, не искажая структуру.

Во-вторых, стабильное валентное состояние Sc помогает нейтрализовать дисбаланс заряда, вызванный вакансией кислорода.

В-третьих, ионы Sc могут реструктурировать поверхность кристалла, создавая особую структуру поверхности, словно строя «магистрали и перекрестки для электронов и электронных дырок», помогая им плавно выбраться из лабиринта.

Благодаря сложным корректировкам команде удалось создать материал на основе диоксида титана с выдающимися характеристиками: способность поглощать ультрафиолетовые лучи превысила 30%, эффективность генерации водорода при искусственном солнечном свете увеличилась в 15 раз по сравнению с тем же материалом, установив новый рекорд в данной системе материалов.

«Если этот материал использовать для изготовления фотокаталитической панели площадью 1 квадратный метр, то под воздействием солнечного света он сможет производить около 10 литров водорода в день», — сказал Лю Ган.

Исследователи добавили, что диоксид титана является широко используемым неорганическим материалом в промышленности, при этом на долю Китая приходится более 50% мирового производства, что формирует полную промышленную цепочку. Между тем, запасы редкоземельных элементов скандия в Китае также занимают первое место в мире . Это создает потенциальное промышленное преимущество для разработки и применения фотокаталитических материалов в будущем.

Поскольку эффективность фотоэлектрического расщепления воды продолжает расти, эта технология будет иметь потенциал для промышленного применения, способствуя трансформации глобальной энергетической структуры.

Источник: 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