Агрегатор новостей
современной Российской науки, анонсы мероприятий, события, мнения
При поддержке Российского фонда фундаментальных исследований

Метод предсказывает свойства наноматериалов для искусственного фотосинтеза

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.