Нанокристаллическая фото катализ дает водородный топливо с беспрецедентной эффективностью

Фотосинтез

Природный фотосинтез конвертирует солнечный свет в химическую энергию, производя сахара, которые позже окисляются до АТФ в растениях, бактериях и некоторых протистах. Процесс опирается на хлорофилл, воду и свет, выделяя кислород как побочный продукт.

Искусственный фотосинтез

Искусственные системы стремятся воспроизвести это, используя светопоглощающие хромофоры — часто органические красители — для расщепления воды на водород и кислород. Однако эти красители деградируют под интенсивным солнечным светом, ограничивая эффективность и стабильность.

Преимущество нанокристаллов

Полупроводниковые нанокристаллы, такие как квантовые точки кадмий-селенида (CdSe), обладают высоким отношением поверхность/объем и меньшим количеством внутренних дефектов, которые могут быть смягчены тщательным легированием. Это дает превосходный зарядовый транспорт и оптические свойства, делая их идеальными для фотоэлектрических и фото каталитических применений.

Система

Команда Рочестерского университета соединила CdSe квантовые точки, никелевую соль катализатора и аскорбиновую кислоту для создания надежного фотохимического водородного генератора. В водном растворе система достигает квантовой эффективности 36% — производя 36 молекул водорода на каждые 100 поглощенных фотонов. При использовании водно-этанольной смеси эффективность поднимается до 66%.

Аскорбиновая кислота служит донором электронов, окисляясь в процессе и требуя периодического восполнения для поддержания непрерывного производства водорода.

Механизм

Каждая CdSe квантовая точка поглощает два фотона, высвобождая два электрона, передаваемых к Ni-катализатору. Катализатор затем захватывает два протона, образуя водородный газ. Этот лиганд-медированный электронный перенос происходит локально, повышая стабильность против длительного воздействия солнечного света по сравнению с другими наночастичными системами.

Применения

Помимо генерации чистого топлива, технология перспективна для промышленных процессов вроде аммиачного синтеза через процесс Габера, где возобновляемый водород может заменить ископаемое сырье.