Исследователи показали, что специальные ап-конверсионные материалы могут значительно повысить эффективность производства «зелёного» водорода из солнечной энергии. Такие материалы способны преобразовывать низкоэнергетическое инфракрасное излучение в более энергичные фотоны, которые могут использоваться в реакциях фотокаталитического расщепления воды.
Обзорное исследование опубликовано в научном журнале RSC Advances и подготовлено учёными Назарбаевского университета.
Проблема использования солнечного спектра
Технология солнечного расщепления воды считается одним из самых перспективных способов получения экологически чистого водорода. Однако современные фотокатализаторы способны эффективно поглощать лишь небольшую часть солнечного спектра — в основном ультрафиолетовое и часть видимого излучения.
При этом значительная доля солнечной энергии, особенно инфракрасное излучение, остаётся невостребованной. Это существенно ограничивает эффективность технологий производства водорода.
Преобразование света в более энергоёмкое излучение
Ап-конверсионные материалы могут решить эту проблему. Они работают как спектральные преобразователи, объединяя два или более низкоэнергетических фотона и превращая их в один фотон с более высокой энергией.
Благодаря этому фотокатализаторы могут использовать те участки солнечного спектра, которые ранее не участвовали в реакции расщепления воды.
Два основных подхода
В исследовании рассматриваются два ключевых типа ап-конверсии.
Первый основан на фосфорах с примесями лантаноидов. Эти неорганические материалы способны поглощать ближнее инфракрасное излучение и испускать ультрафиолетовый или видимый свет, который активирует фотокатализаторы. Такие системы отличаются высокой химической устойчивостью, однако их эффективность при естественном солнечном освещении пока ограничена.
Второй подход — системы триплет-триплетной аннигиляции (TTA). Они используют пары молекул-сенсибилизаторов и эмиттеров и могут эффективно работать даже при относительно низкой интенсивности света. Эксперименты показали, что такие системы способны повышать скорость выделения водорода и фототока.
Возможность комбинирования технологий
Авторы исследования отмечают, что оба подхода скорее дополняют друг друга, чем конкурируют.
Лантаноидные материалы обеспечивают устойчивость и позволяют использовать более глубокие инфракрасные диапазоны, тогда как системы TTA обладают большей эффективностью при низкой освещённости и гибкостью в настройке спектральных характеристик.
По мнению исследователей, комбинирование этих технологий может стать одним из наиболее перспективных путей развития солнечных систем получения водорода.
Перспективы для водородной энергетики
Ап-конверсионные материалы могут значительно расширить спектр солнечного излучения, используемого в фотокаталитических системах. Это позволит повысить эффективность преобразования солнечной энергии в водород — один из ключевых видов топлива для низкоуглеродной энергетики будущего.
Разработка подобных материалов имеет значение не только для фундаментальной науки, но и для инженеров, создающих новые фотоэлектрохимические реакторы, а также для энергетических компаний, рассматривающих масштабируемые технологии производства «зелёного» водорода.