Поверхностная фотоэмиссия из металл-полупроводниковых наноструктур для эффективного фотокаталитического расщепления воды

Цель: решение проблемы, связанной с разработкой фотокатализаторов и технологий их синтеза для достижения максимальной квантовой эффективности фотокаталитического (ФК) разложения воды, с целью получения водородного топлива для зеленой энергетики. Задачи: теоретическое описание конкретных экспериментальных результатов, полученных в 2020-2022 г. и в 2023 г.; теоретическое обоснование предложений по улучшению ФК эффективности исследуемых наноструктур; исследование прямого (квази-фёстеровского) переноса энергии плазмонов от металлической наночастицы в близкую молекулу за счет диполь-дипольного взаимодействия с последующей её диссоциацией; изучение нового способа возбуждения локализованных плазмонных резонансов для ускорения генерации горячих электронов за счет близких двухуровневых эмиттеров - подобно плазмонному нанолазеру; разработка теории для вычисления диаграммы направленности фотоэлектронов из плазмонных наночастиц; усовершенствование методов синтеза наноструктур для фотокатализа по параметрам: эффективности, геометрии, стоимости, масштабируемости. Планируемые результаты: - Метод химической реакции замещения: разработка методики синтеза нанопористых структур металл-полупроводник (серебро, медь, их галогениды и сульфиды) на металлических, стеклянных и полимерных подложках и проведение исследования эффективности ФК разложения воды; исследование влияния химического состава электролита, в том числе электролита, имеющем состав, близкий к химическому составу морской воды, на эффективность ФК разложения воды. - Полимерно-солевой и золь-гель методы: синтез и исследование новых пористых ФК нанокомпозитов на основе оксида цинка, а также кремнезем-содержащих фотокатализаторов, модифицированных ионами марганца и железа; изучение структуры, морфологии и способности синтезированных матриц к фотогенерации химически активных форм кислорода. - Метод ионного обмена: синтез фотокатализаторов на основе прозрачных стеклокерамик с наноструктурами типа «ядро-полупроводник» смешанного состава Ag-AgHal (Hal= Cl, Br, I); оптимизация условий ионного обмена и химического состава стекла для получения ФК керамик с высокой эффективностью генерации горячих электронов. Прозрачные стеклокерамики позволят создавать разнообразный дизайн фотокатализаторов, в том числе в виде трубок или их сборок в виде структурированных волокон. Это позволит увеличить эффективную поверхность фотокатализаторов и откроет новые пути доставки излучения, например, солнечного света через волокно к фотокатализатору, находящемуся под водой.