Российские ученые из Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН, Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН и Сибирского федерального университета показали, что по спектрам комбинационного рассеяния можно предсказывать свойства и структуру наноматериалов, необходимых для искусственного фотосинтеза. Такие материалы выполняют функции фотокатализаторов. Исследование, проведенное при финансовой поддержке Российского научного фонда, опубликовано в журнале Materials.
В настоящее время мировое сообщество стремится отказаться от использования угля, нефти и газа в качестве топлива. В приоритете находятся более «чистые», безвредные для окружающей среды источники энергии, которые к тому же должны отличаться дешевизной. Ученые обратились к природе за вдохновением и обнаружили, что для получения энергии можно использовать реакцию, аналогичную фотосинтезу. В ходе искусственного аналога этого процесса солнечный свет способен расщеплять воду на кислород и водород, причем последний газ может применяться как топливо. Такую реакцию уже можно проводить в условиях лаборатории, но для ее реализации необходимы дополнительные компоненты — фотокатализаторы. Эти вещества поглощают солнечный свет, а затем инициируют реакцию, передавая молекулам воды электроны.
Российские ученые исследовали тип фотокатализатора, который относится к Янус-структурам. Он представляет собой многослойный материал: один слой состоит из атомов серы, другой — из атомов селена, а между ними расположена прослойка из атомов молибдена. Особенность этого материала заключается в эффективном распределении зарядов: под действием солнечного света на одной стороне материала появляются электроны, а на другой — дырки (положительно заряженные квазичастицы). Исследователи рассмотрели спектры комбинационного рассеяния света, используя теоретические методы, для разных конфигураций такого фотокатализатора. При этом расчеты практически полностью сходились с экспериментальными сведениями, полученными из литературы. На основе данных компьютерного моделирования ученые выявили спектральные «отпечатки пальцев» для разных конфигураций, а также провели соответствие между вкладом тех или иных атомов и линиями на спектре. Это позволило ученым предсказать спектры для других подобных Янус-структур, которые пока еще не были синтезированы.
«Результаты проведенных нами теоретических расчетов показывают, что по положению пиков рассеяния света можно оценить структуру материала-катализатора, а значит, контролировать его качество», — объяснил Захар Попов, руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН.
В дальнейших исследованиях физики планируют расширить базу данных спектров, пополнив ее как за счет теоретических, так и за счет экспериментальных сведений. Такие спектры будут собираться для различных веществ, которые нужны для проведения фотокаталитических реакций.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
