Благодаря своим выгодным свойствам органические полупроводники могут быть очень перспективными фотокатализаторами для производства солнечного топлива. Фактически, эти материалы можно синтетически настроить так, чтобы они поглощали видимый свет, сохраняя при этом уровни энергии, необходимые для управления различными процессами. В то время как фотокатализаторы на основе органических полупроводников достигли многообещающих результатов, понимание физики, лежащей в основе их функционирования, все еще относительно ограничено.
Исследователи из Университета науки и технологий имени короля Абдуллы (KAUST), Имперского колледжа Лондона и Оксфордского университета пытаются разработать фотокатализаторы на основе органических полупроводников, которые могут эффективно собирать солнечную энергию и, таким образом, могут использоваться для более устойчивого производства водорода. Их последняя статья, опубликованная в журнале Nature Energy , показывает, что наночастицы органических полупроводников с гетеропереходом могут генерировать удивительно длительные реактивные заряды, поэтому они могут эффективно управлять выделением жертвенного водорода.
«Мы решили использовать органические полупроводники для изготовления наших фотокатализаторов, потому что их ширина запрещенной зоны может быть синтетически настроена для сильного поглощения в видимом спектре», — сказал Android-robot Ян Коско, один из исследователей, проводивших исследование . «При прочих равных, чем больше света поглощает фотокатализатор , тем эффективнее он может преобразовывать солнечную энергию в водород».
Большинство стабильных фотокатализаторов, изготовленных из неорганических полупроводников, таких как TiO 2 и SrTiO 3 , почти исключительно поглощают длины волн УФ и практически не проявляют активности в видимом свете. Это может быть проблематично, так как менее 5% солнечной энергии переносится через ультрафиолетовые волны. Это принципиально ограничивает эффективность этих неорганических фотокатализаторов на основе полупроводников менее чем 5%.
Коско и его коллеги решили изучить потенциал органических полупроводников для стимулирования эволюции водорода и фотофизики, лежащей в основе их дальнейшего функционирования. Их исследование основано на их предыдущей работе по фотокатализаторам на основе органических полупроводников с объемным гетеропереходом.
«Важно разработать фотокатализаторы, активные в широком диапазоне длин волн УФ-видимого-инфракрасного диапазона, чтобы максимизировать поглощение солнечного света», — пояснил Коско. «Сначала мы были удивлены, когда увидели, что наночастицы PM6:PCBM демонстрируют более высокую скорость выделения H 2 , чем наночастицы PM6:Y6».
Когда они впервые начали проводить свои эксперименты, Коско и его коллеги ожидали, что наночастицы PM6:Y6 будут более активными, чем наночастицы PM6:PCBM, поскольку известно, что Y6 поглощает значительно больше солнечного спектра, чем PCBM. Однако, когда они измерили внешнюю квантовую эффективность (EQE) наночастиц PM6:Y6 и PM6:PCBM, они обнаружили, что последние способны преобразовывать большую часть поглощаемой ими солнечной энергии в заряды, производящие водород.
«Другими словами, мы обнаружили, что наночастицы PM6:PCBM имеют более высокие EQE», — сказал Коско. «Это позволяет им производить больше водорода, чем наночастицы PM6:Y6, хотя они поглощают меньше света».
После того, как они измерили EQE наночастиц, Коско и его коллеги исследовали их, используя серию сверхбыстрых и оперативных спектроскопических методов. Их надежда состояла в том, чтобы раскрыть механизмы, лежащие в основе более высоких EQE, которые они наблюдали в наночастицах PM6:PCBM.
«Мы использовали эти методы для отслеживания фотофизических процессов, ответственных за преобразование фотонов в каталитически активные заряды, в масштабах времени от пикосекунд до секунд», — сказал Коско. «Эти методы показали, что наночастицы PM6:PCBM лучше преобразовывают поглощенные фотоны в долгоживущие каталитически активные заряды, и мы считаем, что это ключевая причина их высокой эффективности производства H 2 ».
Коско и его коллеги также визуализировали наночастицы с помощью криогенной просвечивающей электронной микроскопии (Cryo-TEM). Это передовой метод электронной микроскопии, который позволяет исследователям быстро заморозить образец и получить его изображения в криогенных условиях, сохраняя таким образом его нативную структуру. Используя Cryo-TEM, команда смогла создать изображения наночастиц, которые четко отражали их внутреннюю морфологию с разрешением в нанометровом масштабе, когда они были взвешены в стекловидной воде.
«Мы ожидали, что в наших наночастицах будут образовываться заряды из-за присутствующего внутри них гетероперехода типа II», — пояснил Коско. «Однако мы не ожидали, что заряды будут так долго «жить» внутри наночастиц. Фотогенерированные заряды обычно рекомбинируют в микросекундном масштабе, но мы наблюдали заряды в наших наночастицах даже через несколько секунд после фотовозбуждения».
Время жизни фотогенерируемых зарядов, которое исследователи наблюдали в своих экспериментах, чрезвычайно велико по сравнению с тем, что обычно демонстрируют органические полупроводники. Этот чрезвычайно длительный срок службы может быть основным фактором, лежащим в основе их высокой производительности, поскольку он увеличивает время, в течение которого заряды участвуют в окислительно-восстановительных реакциях на поверхности наночастиц, которые, как известно, протекают относительно медленно.
«Мы надеемся, что этот новый класс высокоактивных органических полупроводниковых фотокатализаторов ускорит разработку эффективных фотокатализаторов выделения активного водорода в видимом свете для общих Z-схем расщепления воды», — сказал Коско. «В Z-схеме расщепления воды фотокатализатор выделения водорода соединен с фотокатализатором выделения кислорода, и вместе два фотокатализатора вызывают общее расщепление воды на H 2 и O 2 . Это аналогично тому, как фотосистема 1 и фотосистема 2 преобразуют солнечный свет в химическую энергию. при фотосинтезе зеленых растений».
В будущем перспективные фотокатализаторы, определенные Коско и его коллегами, могут быть использованы для создания новых и более эффективных технологий солнечного топлива. В то время как исследователи до сих пор в первую очередь оценивали их потенциал для запуска реакции выделения водорода, для применения в реальных условиях эта реакция должна быть связана с процессами выделения кислорода, чтобы расщепить воду на H 2 и O 2 .
«В настоящее время мы продолжаем разрабатывать фотокатализаторы для выделения H 2 , выделения O 2 и восстановления CO 2 до синтетического топлива», — добавил Коско.
