Рациональные стратегии повышения эффективности и стабильности фотоэлектрокатализаторов на основе оксидов переходных металлов для фотоэлектрохимического получения водорода

В последние годы наметилась устойчивая тенденция к сокращению выбросов углекислого газа в атмосферу в связи с обострившимися экологическими рисками. Производство «зеленого водорода» и использование его в качестве энергоресурса позволит снизить или нивелировать пагубное антропогенное влияние на окружающую среду. Однако, на сегодняшний день технологии производства водорода без выбросов CO2 являются слишком дорогостоящими для их широкого применения. Одним из наиболее перспективных методов получения «зеленого водорода» является фотоэлектролиз. Фотоэлектрохимическое получение водорода основано на реакции разложения воды на молекулярные водород и кислород на полупроводниковых электродах под действием солнечного излучения. Результатом этого процесса является прямое преобразование солнечной энергии в химическую энергию топлива (водорода). Метод фотоэлектролиза очень перспективен с точки зрения простоты создания фотоэлектрохимических преобразователей, поскольку в качестве фотоэлектродов могут использоваться тонкие пленки поликристаллических оксидов переходных металлов. Однако, на сегодняшний день основным препятствием для коммерциализации фотоэлектролизеров является низкая эффективность преобразования солнечного излучения и низкая стабильность материалов фотоэлектродов в условиях продолжительного фотоэлектролиза. Данная ситуация осложняется тем, что кинетика целевых реакций фотоэлектролиза (реакций выделения водорода (РВВ) и кислорода (РВК)) крайне замедлена, а материалы фотоэлектродов, как правило, не являются эффективными катализаторами этих реакций. Одной из наиболее выигрышных стратегий повышения каталитической активности и стабильности фотоэлектрокатализаторов является нанесение на поверхность материалов фотоэлектродов тонких слоев других соединений, функция которых может заключаться в i) защите поверхности фотоэлектрода от прямого контакта с электролитом; ii) подавлении поверхностной рекомбинации; iii) понижении активационного барьера межфазного переноса фотоиндуцированного носителя заряда через границу электрод/раствор. Наиболее часто ожидается проявление именно электрокаталитической функции (iii) при нанесении сокатализатора, однако нанесение классических электрокатализаторов на тонкопленочные электроды не всегда приводит к желаемому повышению активности и стабильности. На сегодняшний день роль сокатализатора остается неизученной для большинства известных фотокатодов и фотоанодов на основе оксидов переходных металлов, что существенно затрудняет прогресс в области фотоэлектрохимической генерации водорода. Настоящий проект направлен на выявление роли сокатализатора в повышении эффективности и стабильности фотоэлектрокатализаторов РВК и РВВ на основе оксидов переходных металлов. Решение данной задачи возможно на основании проведения многофакторного анализа влияния компонентов фотоэлектрохимической системы на наблюдаемую фотоэлектрокаталитическую активность и стабильность. Научная новизна проекта заключается в установлении неизвестной на сегодняшний день преобладающей функции сокатализатора в различных экспериментальных условиях на основании систематического экспериментального подхода, позволяющего независимо варьировать различные факторы (природа материала фотоэлектрода, толщина и сплошность слоя фотокатализатора, pH среды). Данный подход позволит впервые сформулировать рациональные стратегии повышения стабильности и активности фотоэлектрокатализатора на основании понимания механизма действия сокатализатора. Актуальность решения данной проблемы обусловлена интенсификацией усилий, как в России, так и в других странах мира, направленных на переход к экологически чистой и возобновляемой энергетике. Разработка способов стабилизации и повышения активности фотоэлектродов в водных растворах электролитов позволит реализовать один из самых перспективных способов генерации «зеленого» водорода для применения в качества топлива в различных секторах экономики.