ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Фотокаталитические системы обычно изготавливаются из материалов, называемых полупроводниками. Полупроводники используются в солнечных батареях, а также являются основой современной электроники. Когда полупроводник поглощает свет, энергия, накопленная в свете, преобразуется в генерацию отрицательных и положительных зарядов в материале. В солнечных батареях эти заряды используются непосредственно как ток (электричество). В фотокаталитической реакции катализатор активируется светом, однако эти заряды используются для продвижения того или иного вида химических реакций, называемых окислением-восстановлением, которые предполагают перенос зарядов между видами. Кроме того, фотокаталитические системы часто включают в себя небольшие металлические частицы, которые помогают улучшить скорость реакции. Вкратце, фотокаталитическая система поглощает свет и преобразует солнечную энергию в положительный и отрицательный электрические заряды, которые затем используются для содействия химическим реакциям, представляющим интерес.
На первом этапе при поглощении света полупроводниковым фотокатализатором образуется отрицательный заряд и положительный заряд. На этапе 2 эти заряды способствуют химической реакции, расщепляя воду на кислород и водород.
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ТОПЛИВО С ПОМОЩЬЮ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.
Мы хотели бы использовать электрические заряды, генерируемые фотокаталитической системой, для содействия химическим реакциям, которые приведут к образованию топлива. Мы определяем топливо как химическое вещество, обеспечивающее энергию при сгорании (в сочетании с кислородом). Для некоторых реакций требуется энергия, в то время как другие высвобождают энергию. Наша цель - найти химическую реакцию, которая требует энергии, и использовать энергию солнца для содействия этой реакции. В ходе этой реакции химические связи разрываются, образуются другие связи, создаются новые молекулы. Затем, в результате обратной реакции, по нашему желанию, в любой момент, когда мы этого хотим, может высвобождаться энергия, которая накапливается в химических связях молекул продукта.
Далее нам нужно определить, какое топливо производить и какую молекулу ломать вместе с энергией солнца для производства топлива. Придумайте что-нибудь, чего у нас много на Земле, что-нибудь простое и возобновляемое. Если вы угадали воду, то угадали правильно. На самом деле, идея использования воды и света для производства энергии существует уже довольно давно. И солнечный свет, и воду легко приобрести и найти практически везде на земле. Мы решили использовать солнечный свет для расщепления воды для производства молекул кислорода и водорода. Водород затем может быть использован в качестве топлива. В отличие от ископаемого топлива, водород является экологически чистым источником энергии. Когда водород сжигается, то есть когда он вступает в реакцию с кислородом, вырабатываются только вода и энергия. Водород также служит химикам для производства аммиака - важного удобрения, жизненно важного для сельского хозяйства.
Несмотря на огромный потенциал, после четырех десятилетий глобальных исследований до сих пор не разработаны стабильные и эффективные фотокаталитические системы, так как этот процесс является сложным и еще предстоит решить множество проблем. Например, если положительные и отрицательные заряды, которые притягиваются друг к другу, удается рекомбинировать, они взаимно уничтожают друг друга, а энергия теряется. Для достижения прогресса наша исследовательская группа и другие исследователи изучали более простые формы фотокаталитических реакций, концентрируясь только на реакциях, связанных с одним типом зарядов, надеясь, что эти простые формы, в конечном счете, помогут нам понять весь процесс и создать эффективные фотокаталитические системы. Это осуществляется за счет использования химических добавок, которые отменяют нежелательные заряды.
В последнее время исследовательская группа добилась почти совершенного преобразования света в молекулы водорода. Это означает, что весь свет, который светил на фотокатализатор, успешно вырабатывал водород из воды. Такая впечатляющая эффективность была достигнута за счет использования уникальных миниатюрных фотокатализаторов с размерами в нанометровом диапазоне. Один нанометр (нм) - это 10-9 м. Для того, чтобы представить этот размер в перспективе, диаметр человеческого волоса составляет около 50 000 нм. Увлекательным и мощным результатом работы с наноразмерными частицами является зависящая от размера настройка их свойств. Изменяя размер частицы, ученый может точно настроить интересующее его свойство, например, какой цвет света будет поглощаться полупроводником, и, возможно, сделать его лучшим фотокатализатором.
