Исследование материалов для преобразования энергии с использованием синхротронного излучения и суперкомпьютерного моделирования

В ходе выполнения проекта были разработаны и оптимизированы для исследований в жесткой и мягкой областях рентгеновского спектра in operando методики рентгеновской спектроскопии поглощения (XAFS) на источниках синхротронного излучения для исследования локальной атомной и электронной структур вблизи интерфейса между жидкостью (молекулами воды) и поверхностью наноструктурированных фотокатализаторов. Применение разработанной экспериментальной методики и многомасштабного суперкомпьютерного моделирования, в сочетании с другими общепринятыми лабораторными методами характеризации материалов для преобразования энергии, позволили определить фундаментальные закономерности взаимосвязи между параметрами трехмерной атомной и электронной структур материалов для преобразования энергии, включая границу раздела между молекулами воды и поверхностью (активными центрами на поверхности) фотокатализатора на разных стадиях фотокаталитической реакции расщепления воды. Основное внимание было уделено определению закономерностей эволюции атомных и электронных структур каталитически активных нанообъектов в фотоэлектрохимических реакциях расщепления воды, а также процессу фотопоглощения, диссоциации и десорбции воды на поверхности фотоэлектрокатализаторов в ходе реакции. Кроме того, на основе расчетов методами молекулярной динамики и DFT, были построены структурные модели активных металлических центров и интерфейсов между молекулами воды и катализаторов в ходе реакции расщепления воды. Полученные результаты позволяют внести вклад в изучение механизма фоторасщепления воды, особенно процессов на границе раздела между молекулами воды и поверхностью фотокатализатора. Были продемонстрированы возможности настоящего подхода для изучения основных ограничений существующих каталитических систем, а полученные в ходе выполнения проекта результаты создают основу для последующего дизайна более эффективных и стабильных фотоэлектрокатализаторов реакций типа фоторасщепления воды. Результаты создают экспериментальный и теоретический базис для разработки новых более эффективных и стабильных наноструктурированных катализаторов (на основе широко распространенных в природе химических элементов) для реакций расщепления воды под действием солнечного света, что открывает перспективы для разработки инновационных технологий генерации экологически безопасной энергии.