Китай добился нового прорыва в исследованиях по преобразованию воды в топливо.

По сообщению информационного агентства Синьхуа, соответствующие результаты исследования были опубликованы в журнале Американского химического общества 8 апреля.

7 апреля ученые в Шэньянском центре материаловедения – Институте исследований металлов Китайской академии наук изучают образец модифицированного полупроводникового фотокаталитического материала на основе диоксида титана (TiO₂). Фото: информационное агентство Синьхуа.

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

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

Благодаря «реструктуризации» и «замене 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 производства водорода из солнечной энергии.

Один из методов заключается в использовании солнечных батарей для выработки электроэнергии с последующим электролизом воды – хотя это и очень эффективно, оборудование сложное и дорогостоящее.

Второй метод — это прямой фотолиз с использованием солнечного света, то есть применение полупроводниковых материалов, таких как диоксид титана, для «расщепления воды» под воздействием солнечного света.

Команда Лю Гана сосредоточила свои исследования на втором методе.

Согласно объяснению, традиционный метод расщепления воды с использованием диоксида титана сталкивается с серьезным препятствием: при попадании света на диоксид титана внутри него генерируются заряженные частицы (электроны и дырки), которые являются «инструментами» для расщепления воды. Однако эти электроны и дырки нестабильны.

Лю Ган объяснил: «Электроны и дырки подобны гоночным автомобилям, которые заблудились и беспорядочно сталкиваются в лабиринте материальных структур; большинство из них рекомбинируют и исчезают в течение миллионной доли секунды. Кроме того, высокотемпературное изготовление часто приводит к тому, что атомы кислорода «покидают свои места», создавая кислородные вакансии и захватывая электроны, что снижает эффективность фотокаталитической реакции».

Для преодоления этой проблемы исследовательская группа творчески ввела в периодическую таблицу «соседний» элемент титана – скандий (Sc) – для улучшения характеристик диоксида титана. Результаты показали, что скандий обладает тремя основными преимуществами:

Во-первых, ионный радиус скандия сопоставим с ионным радиусом титана, поэтому его можно внедрять в кристаллическую решетку без искажения структуры.

Во-вторых, стабильное валентное состояние скандия помогает нейтрализовать дисбаланс заряда, вызванный кислородным зазором.

В-третьих, ионы скандия могут перестраивать поверхность кристалла, создавая особую поверхностную структуру, подобную строительству «магистралей и перекрестков для электронов и электронных дырок», помогая им легче покинуть лабиринт.

Благодаря сложным модификациям, команда успешно изготовила диоксид титана с выдающимися характеристиками: его способность поглощать ультрафиолетовое излучение превысила 30%, а эффективность производства водорода под воздействием имитированного солнечного света увеличилась в 15 раз по сравнению с аналогичными материалами, установив новый рекорд в этой материальной системе.

Г-н Лю Ган заявил: «Если использовать этот материал для создания фотокаталитической панели площадью 1 квадратный метр, то под воздействием солнечного света она сможет производить около 10 литров водорода в день».

Исследователи добавили, что диоксид титана является широко используемым неорганическим материалом в промышленности, при этом на Китай приходится более 50% мирового производства, образуя полную производственную цепочку. Между тем, Китай также обладает крупнейшими в мире запасами редкоземельного элемента скандия. Это создает потенциальное промышленное преимущество для разработки и применения фотокаталитических материалов в будущем.

Поскольку эффективность фотоэлектрического расщепления воды продолжает повышаться, эта технология имеет потенциал для применения в промышленном производстве, 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