Ученые из Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН создали катализатор, повышающий эффективность «выхода» водорода при электролизе воды с 18% до 67%. Новый материал представляет собой монослойный кристаллический полупроводник на основе серы, молибдена, теллура и селена. Результаты исследования опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.
Целью исследования было повышение эффективности электролиза – расщепления воды на водород и кислород – под воздействием солнечного света. Японские ученые еще в 1970-е гг. применяли для этой цели полупроводниковые катализаторы на основе диоксидов титана, а затем – более эффективные катализаторы на основе дихалькогенидов переходных металлов, т.е. тонких монослойных полупроводников, в которых один слой металла расположен между двумя слоями атомов халькогена. К числу халькогенов относятся элементы шестнадцатой группы периодической таблицы, в том числе кислород (O), сера (S), селен (хрупкий неметалл серого цвета) и теллур (слегка токсичный полуметалл серебристо-белого цвета).
Особенно востребованными стали монослои с наноструктурой Януса, получившие свое название благодаря тому, что верхний и нижний ряды атомов в них состоят из разных элементов. Эта особенность частиц Януса позволяет ускорять реакцию разложения воды под воздействием света.
Физики из Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН провели компьютерное моделирование с целью выяснить, насколько эффективно при использовании соединений на основе молибдена, серы, селена и теллура будет протекать электролиз воды в присутствии монослойных кристаллических полупроводников с Янус-структурой. Наиболее перспективным оказался материал на основе соединения SMoTe (где S — сера, Mo — молибден, а Te — теллур): расчетная эффективность получения водорода из воды составила от 54% до 67% (в зависимости от типа среды – нейтральной или кислотной), тогда как общепринятый для электролизных установок уровень не превышает 18%. Расчетная эффективность других соединений – SMoSe, SMoO, SeMoO и SeMoT (где O обозначает кислород) — в ходе моделирования также превысила 18%.
«Расщепление воды под воздействием солнечного света представляет практический интерес, поскольку использование полученного таким образом водорода может сократить выбросы парниковых газов, удовлетворить растущий глобальный спрос на энергию, а также решить проблемы, связанные с устойчивым энергоснабжением по всему миру. В своей работе мы показали, что семейство катализаторов, которые мы изучили, содержат новые динамически устойчивые структуры с выдающимися свойствами для практического применения», — цитирует Российский научный фонд руководителя проекта Захара Попова, кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника Института биохимической физики РАН.
