Новый материал может захватывать солнечную энергию и разделять воду
Солнечная энергия экологична и присутствует в изобилии. Но когда Солнце не светит, вы должны хранить энергию в батареях или через процесс, называемый фотокатализом, в котором солнечная энергия используется для производства топлива. При фотокаталитическом расщеплении воды солнечный свет разделяет воду на водород и кислород. Затем водород и кислород могут быть рекомбинированы в топливном элементе для высвобождения энергии.
Теперь новый класс материалов — галогенидные двойные перовскиты — могут иметь только правильные свойства для разделения воды, согласно недавно опубликованной работе в журнале «Applied Physics Letters».
«Если мы сможем придумать материал, который может быть полезен в качестве фотокатализатора, разделяющего воду, тогда это будет огромный прорыв», — сказал Фелициано Джустино, соавтор доклада.
Ранее исследователи экспериментировали со многими фотокаталитическими материалами, например, такими, как диоксид титана (TiO2). Хотя TiO2 может использовать солнечный свет для разделения воды, он неэффективен, потому что он плохо поглощает видимый свет. До настоящего времени ни один фотокаталитический материал для общего разделения воды не стал коммерчески доступным.
Используя суперкомпьютеры для расчета квантовых энергетических состояний четырех галогенидных двойных перовскитов, Джордж Волонакис и Фелициано Джустино, оба из Оксфордского университета, обнаружили, что Cs2BiAgCl6 и Cs2BiAgBr6 являются перспективными фотокаталитическими материалами, потому что они поглощают видимый свет намного лучше, чем TiO2.
Они также генерируют электроны и дыры (положительно заряжая отсутствие электронов), которые имеют достаточную энергию (или почти идеальную энергию) для разделения воды на водород и кислород.
Исследователи говорят, что очень немногие другие материалы имеют все эти функции. «Мы не можем сказать, что все это будет работать, но эти соединения, похоже, обладают всеми необходимыми свойствами».
Джустино и его команда изначально обнаружили этот тип перовскита, ища материалы для изготовления солнечных батарей. За последние несколько лет перовскиты получили интерес в качестве материалов для повышения эффективности кремниевых солнечных элементов за счет тандемных конструкций, которые интегрируют перовскитную ячейку непосредственно на высокоэффективную кремниевую ячейку, но содержат небольшое количество свинца. Если бы они использовались для сбора энергии в солнечной ферме, свинец мог представлять потенциальную экологическую опасность.
В 2016 году, используя компьютерное моделирование для идентификации альтернативных материалов, исследователи обнаружили новый тип бессвинцового перовскита с потенциалом для высокоэффективных солнечных элементов. Настоящая статья показывает, что эти новые материалы могут также разделять воду. «Эти новые двойные перовскиты не только перспективны как дополнительный материал для тандемных солнечных батарей, но также могут быть перспективными в таких областях, как фотокатализ», — сказал Волонакис.
Тем не менее, новый анализ является теоретическим, предполагая, что соединения образуют идеальные кристаллы. Следующий шаг, по мнению авторов, заключается в том, что экспериментаторы должны видеть, работает ли материал в реальном мире.
В то же время исследователи используют свои вычислительные методы для изучения того, обладают ли эти двойные перовскиты свойствами, доступными для других применений, таких как световые детекторы.
Больше информации: George Volonakis et al, Surface properties of lead-free halide double perovskites: Possible visible-light photo-catalysts for water splitting, Applied Physics Letters (2018). DOI: 10.1063/1.5035274