Дизайн фотокатализаторов для расщепления воды при помощи солнечной энергии

Фотокаталитическое расщепление воды наиболее многообещающая технология для производства экологически чистого водородного топлива, поскольку и солнечный свет, и вода относятся к двум наиболее распространенным природным ресурсам нашей планеты [10.1039/C3EE40831K, 10.1038/s41929-019-0242-6, 10.1039/C4EE01453G]. Кроме того, благодаря высокой плотности запасаемой энергии и отсутствию загрязняющих веществ при сгорании переход на водородное топливо способствует достижению глобальной цели нулевого баланса выбросов углерода. Преимуществом фотокаталитического расщепления воды является возможность использования как пресной, так и морской воды, и применение этого подхода не требует использования специальных электролитов в отличие от электрохимического способа, что значительно снижает стоимость и время, необходимые для подготовки и затраты на осуществления самого процесса [10.1038/s41929-019-0242-6]. Несмотря на активные исследования, ведущиеся с момента открытия явления фотокаталитического расщепления воды в 1972 году [10.1038/238037a0], скорость и эффективность процесса получения водорода с использованием таких широко изученных фотокатализаторов, как TiO2, ZnO и WO3 все еще чрезвычайно мала, поскольку данные материалы могут эффективно работать только при ультрафиолетовом (УФ) облучении, на долю которого приходится менее 5% всей солнечной энергии, что приводит к чрезвычайно низкому значению параметра эффективности преобразования энергии из солнечной в водородную (STH). Несмотря на то, что проведенные исследования показали, что такие наноматериалы, как ZnIn2S4, g-C3N4, черный фосфор и MoS2, могут быть использованы в качестве фотокатализаторов при облучении в видимом диапазоне света, их эффективность все еще не высока. В одном из актуальных исследованиях сообщалось о достижении показателя преобразования солнечной энергии в водород (STH) в 9.2% при использовании фотокатализатора на основе нитрида индия-галлия [10.1038/s41586-022-05399-1], что все еще крайне мало для повсеместного внедрения технологии и ее масштабирования до промышленного производства. Кроме того, экспериментальные исследования ранее предложенных теоретически экзотических наноматериалов несколько затруднены из-за сложности прогнозирования необходимых условий синтеза. Перспективный подход заключается в использовании композитных материалов. Вместо применения отдельных наноматериалов можно использовать их комбинацию – гетеропереходы, состоящие из двух полупроводников, что приводит к более эффективному использованию фотонов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах – так называемые Z или S схемы, получившие активное развитие в последние несколько лет из-за их преимуществ в миграции фотоиндуцированных носителей зарядов и их более эффективного разделения как с кинетической, так и с термодинамической точек зрения [10.1016/j.ccr.2024.216177, 10.1021/acs.jpclett.4c01162]. Более того, существенным преимуществом данного подхода является возможность успешного получения водорода без протекания обратных реакций или явления фотокоррозии, происходящего в традиционных фотокаталитических системах, за счет одновременной аннигиляции дырок. Несмотря на большой прогресс в разработке фотокаталитических систем, на сегодняшний день все еще не существует универсального каталитического материала, способного осуществлять полное расщепление воды под действием солнечного излучения, обеспечивая высокий выход водородного топлива. Это указывает на актуальность развития темы материаловедения в области разработки новых эффективных гибридных материалов для реализации Z- и S-схем фотокатализа.