Спектральные «отпечатки пальцев» помогут контролировать качество наноматериала для искусственного фотосинтеза
26 июля 2022
Российские физики при помощи компьютерного моделирования получили спектры, которые позволяют определить строение кристаллической решетки наноматериалов для искусственного фотосинтеза — перспективного подхода к получению топлива из света и воды. Несмотря на то, что создание таких веществ — управляемый процесс, их структура может отличаться, что неизбежно влияет на качество конечного материала. Спектры, играющие роль «отпечатков пальцев», помогут лучше контролировать получение «зеленого» топлива из света и воды и сделать его более эффективным. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials.
Вопрос получения экологически чистой и дешевой энергии сегодня стоит довольно остро, поэтому ученые ищут источники, альтернативные традиционным углю, нефти и газу. Решение задачи можно подглядеть в живой природе, например у растений, зеленые части которых участвуют в фотосинтезе. Аналог этого процесса — реакцию расщепления воды на кислород и водород, который можно использовать в качестве топлива, — уже умеют проводить в лабораторных условиях. Однако искусственно повторить фотосинтез сложно: для этого требуется не только свет, но и «посредники» — катализаторы, которые умеют улавливать и поглощать солнечный свет, а также вызывать химическое превращение молекул воды, передавая необходимые для расщепления электроны.
Недавно ученые успешно синтезировали совершенно новый наноматериал, особенность которого заключается в том, что он имеет две различные по составу поверхности: верхний слой покрыт атомами серы, нижний — атомами селена, а между ними располагается сетка из молибдена. Материалы с подобными неэквивалентными поверхностями получили название Янус-структур. Они успешно катализируют реакцию расщепления воды, поскольку в них происходит эффективное разделение зарядов — отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок (мест, откуда ушли электроны), появляющихся при облучении материала солнечным светом и участвующих в последующем химическом превращении воды.
«Исследованные нами материалы способны образовывать разные кристаллические структуры при одинаковом химическом составе. Экспериментально изучать строение подобных наноматериалов можно, например, по тому, как они рассеивают свет, а полученные спектры являются своеобразным “отпечатком пальца” структуры», — рассказывает автор работы Александр Орешонков, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории молекулярной спектроскопии Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН.
Ученые из Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН (Москва), Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН (Красноярск) и Сибирского федерального университета (Красноярск) с использованием теоретических методов описали спектры комбинационного рассеяния света для различных конфигураций наноразмерных слоев из молибдена, серы и селена. Использованный в работе подход позволил получить сходимость с известными в литературе экспериментальными данными близкую к идеальной. После проверки обоснованности модели авторы предсказали спектры для возможных конфигураций наноматериалов, которые еще только предстоит синтезировать. Их детальный анализ позволил оценить вклад отдельных атомов в конкретные спектральные полосы, что особенно важно, поскольку геометрия и качество слоев влияют на эффективность материала в реакции фотокаталитического расщепления воды.
«Результаты проведенных нами теоретических расчетов показывают, что по положению пиков рассеяния света можно оценить структуру материала-катализатора, а значит, контролировать его качество», — заключил руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Захар Попов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИБХФ РАН.
На рисунке вверху структура наноматериала на основе молибдена, серы и селена, в которой «ячейки», образованные атомами в разных слоях, накладываются друг на друга (a) и смещены друг относительно друга (б). Источник: Oreshonkov et al. / Materials, 2022.
Текст: пресс-служба РНФ
