Отчет о научных исследованиях по теме: "Понимание кинетики фотоэлектрокаталитических реакций на основе in-situ диагностики методами синхротронного излучения и искусственного интеллекта"

В ходе выполнения проекта были синтезированы новые катализаторы для фотоэлектрокаталитического разложения воды. В частности, было изучено влияние температуры разложения (от 300 до 600 ℃) металл-органического каркаса ZIF-67, нанесенного на стеклянную FTO-подложку, покрытую нанотрубками TiO2 на процесс формирования катализатора Co3O4. Комплексом физико-химических методов исследования, таких как порошковая рентгеновская дифракция, рентгенофлуоресцентный анализ, ИК-Фурье и оптической спектроскопия были выявлены различные стадии трансформации ZIF-67 в Co3O4. Было показано, что полное термическое разложение каркаса ZIF-67 происходит при температуре 460 ℃, а формирование фазы шпинели при 540 ℃. Данные элементного состава образцов, полученные методом рентгенофлуоресцентного анализа в зависимости от температуры прокаливания позволили выявить три различные области изменения соотношения Si/Sn/Ti/Co. До 380 и после 520 ℃ наблюдалось относительно монотонное изменение состава образцов, тогда как промежуточный регион показал нелинейный характер изменения. На основе полученных данных были выбраны два образца, прокаленные при 440 ℃ и 540 ℃, после чего была оценена их фотоэлектрохимическая активность. Полученные линейные вольтамперограммы показали более высокие значения фототока образца Co3O4-440 при меньшей площади активной поверхности, полученной на основе линейной зависимости разницы плотности тока от скорости сканирования. Также были получены и всесторонне охарактеризованы материалы на основе атомов платины на различных подложках для фотоэлектрокаталитических реакций. В процессе выполнения проекта решалась задача составления баз данных экспериментальных и теоретических спектров рентгеновского поглощения. На первом этапе был проведён исчерпывающий поиск и компиляция выборок спектров, с упором на различные локальные окружения 3d металлов, наночастиц и поверхностей на их основе. Аналогично экспериментальные выборки были собраны в датасет из двух тысяч спектров периодических структур и несколько десятков оригинальных, ранее не публикованных экспериментальных спектров эталонных комплексов и катализаторов. Далее для расширения и теоретических, и экспериментальных выборок был проведён высокопроизводительный скрининг и рассчитана выборка нескольких десятков тысяч спектров различных локальный окружений всех d-элементов. В общей сложности более 650 тысяч теоретических пар структура-спектр были собраны, более 100 тысяч рассчитаны сызнова, две тысячи экспериментальных спектров были выбраны из базы данных “NIST materials data repository”, 60 спектров оригинальных хорошо охарактеризованных комплексов и катализаторов были рассчитаны с нуля. Далее приводится описание экспериментальных, теоретических и вычислительных процедур, использованных в процессе; разработана процедура объединения информации различных краёв поглощения. Разработаны два типа ячеек для operando диагностики материалов фотоэлектрокатализаторов в щелочной среде для реакций выделения кислорода и водорода. Первый тип ячеек разработан в ходе реверс-инжиниринга имеющихся коммерческих ячеек с дальнейшим расширением возможности исследования образцов различных размеров. Второй тип ячеек предполагал принципиально другую геометрию и был разработан с прицелом на сокращение оптического пути синхротронного излучения через электролит. Конструкция ячеек обеспечивает эффективную регистрацию спектров рентгеновского поглощения в режиме флуоресценции и позволяет выдерживать воздействие органических растворителей, концентрированных растворов щелочей и кислот, температур до 100 °C без значительных деформаций за счёт использования полиэфирэфиркетона. Полученные в стационарном состоянии спектры рентгеновского поглощения меди и платины в исследованных модельных материалах и разработанных каталитических системах для фотоэлектрического разложения воды имеют высокую чувствительность к параметрам локальной атомной (особенно спектры в протяженной области- EXAFS) и электронной структур (особенно спектры в ближней области - XANES) этих материалов. Спектры тонкой структуры рентгеновского поглощения (XAS) исследуемых фотоэлектрокаталитических систем, полученные непосредственно в ходе электрохимической реакции (режим operando) показывают существенную зависимость от параметров реакции, что обосновывает верность выбора метода рентгеновской спектроскопии поглощения как высокочувствительного и неразрушающего метода диагностики переходных состояний активных металлических центров нанокатализаторов (в частности, параметров их локальной атомной и электронной структур) в ходе фотоэлектрокаталитических реакций, в том числе реакций для получения «зеленого водорода» при фотоэлектролизе воды.