Ученые Томского политехнического университета в составе научного коллектива впервые синтезировали методом электроискровой эрозии новый класс фотокаталитических материалов для получения водорода из молекул воды. Полученные наноструктурированные материалы представляют большой интерес в области «зеленой» энергетики. Научное исследование выполнено в рамках федеральной программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» национального проекта «Наука и университеты».
Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Energy Materials (Q1, IF: 5.4).
Водород широко рассматривается научным сообществом, как перспективная альтернатива традиционному ископаемому топливу. На сегодняшний день синтез водорода путем расщепления молекул воды считается наиболее экологичным способом его получения, такой водород называют «зеленым».
В основном для получения «зеленого» водорода используют фотоэлектрохимические ячейки, в которых энергия солнечного света используется для получения этого топлива за счет расщепления молекулы воды с помощью электролиза. Этот метод требует использования дорогих дефицитных металлов, таких как металлы платиновой группы (МПГ), в качестве электродов. Поэтому перед учеными Томского политеха стояла задача получить альтернативные материалы, которые могли бы конкурировать с эффективностью МПГ без сопутствующих затрат.
«Одним из наиболее изученных и широко применяемых материалов для фотокаталитических устройств и приложений является оксид цинка (ZnO). Однако частицы ZnO сами по себе не могут обеспечить достаточный перенос электронов, которые необходимы для химической реакции расщепления молекулы воды, — рассказывает руководитель проекта, доцент отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий Дамир Валиев. — ZnO можно модифицировать и преобразовывать в наноструктуры, которые будут обладать хорошими полупроводниковыми и оптоэлектронными свойствами».
В своих исследованиях ученые ТПУ синтезировали бинарные нанокомпозитные материалы из дисульфида вольфрама и оксида цинка (WS2-ZnO).
«Синтез наноструктур WS2-ZnO осуществлялся методом электроискровой эрозии гранул цинка в водных растворах перекиси водорода с одновременным добавлением в зону реакции наноструктурированного порошка WS2. Ранее этот метод не применяли для изготовления наногетероструктур WS2-ZnO», — отмечает Дамир Валиев.
В результате эксперимента ученые Томского политеха получили материал, который затем нанесли на электрод (фотоанод) подготовленной фотоэлектрохимической ячейки для последующего проведения экспериментов по генерации водорода. При облучении потоком света ксеноновой лампы, имитирующей естественный солнечный свет, проводилась оценка вклада рабочего электрода, покрытого WS2-ZnO, в фототок в фотоэлектрохимической ячейке. Возникшая в результате воздействия светом химическая реакция сопровождалась повышенным выделением газообразных H2 и O2 на противоэлектроде и рабочем электроде соответственно.
«Результаты исследований показали, что полученные наноструктуры WS2-ZnO обладают хорошим потенциалом для использования в качестве фотоанодного материала для фотоэлектрохимического расщепления воды с целью получения водорода для применения в «зеленой» энергетике», — резюмировал ученый.
В исследованиях участвовали преимущественно молодые ученые и сотрудники отделения материаловедения, научно-образовательного центра им. Н. М. Кижнера, научно-производственной лаборатории «Чистая вода» Инженерной школы новых производственных технологий ТПУ, отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий, Южно-Африканского Университета Витватерсранда (Йоханнесбург).
