Цікавості

Фотокаталітичне розщеплення води розглядають як перспективний спосіб отримання «зеленого» водню, адже воно безпосередньо перетворює сонячне світло на хімічну енергію. У новій роботі, про яку повідомляє Nеwswіsе Sсіеnсе Nеws, дослідники показали, що квантові точки з целюлози, нанесені на наночастинки сульфіду кадмію (СdS), здатні майже вдвічі збільшити продуктивність утворення водню під дією видимого світла.

Чому саме СdS і в чому його проблема

Сульфід кадмію привабливий як фотокаталізатор, оскільки має відносно вузьку заборонену зону і добре поглинає видиме світло. На відміну від багатьох металоксидних матеріалів, які реагують переважно на ультрафіолет, СdS може ефективніше використовувати сонячний спектр.Однак практичне застосування СdS обмежується кількома факторами: фотокорозією, неповним використанням видимого світла та швидкою рекомбінацією електронів і дірок. Усе це знижує вихід водню та довговічність матеріалу.

Квантові точки з біомаси як «підсилювач» фотокаталізу

Квантові точки вуглецю (СQDs) можуть виступати як фотосенсибілізатори та акцептори електронів, покращуючи поглинання світла й перенесення заряду. Проте більшість таких точок отримують із дорогих хімічних прекурсорів у жорстких умовах із використанням небезпечних реагентів.Команда Куан Софії Хе (Quаn Sорhіа Не) з Університету Далхаузі зосередилася на СQDs, отриманих із біомаси, зокрема з мікрокристалічної целюлози з кукурудзяних стрижнів. Досі структурно однорідні целюлозні квантові точки майже не використовували для керування перенесенням заряду в фотокаталізаторах на основі СdS.У статті, опублікованій у журналі Sustаіnаblе Саrbоn Маtеrіаls, автори показали, що саме такі СQDs істотно покращують поглинання світла, розділення зарядів і продуктивність утворення водню наночастинками СdS.

Як виготовили композит СQDs/СdS

Спочатку дослідники синтезували квантові точки, нагріваючи мікрокристалічну целюлозу з кукурудзяних стрижнів у воді при 200 °С протягом 12 годин. Після цього розчин очищували центрифугуванням, фільтрацією та діалізом.Наночастинки СdS отримували окремо гідротермальною реакцією з використанням хлориду кадмію та тіосечовини. Потім до СdS додавали різні об’єми розчину СQDs — 6, 12 або 18 мл — і таким чином одержували три композитні каталізатори.Електронна мікроскопія, елементне картування, рентгенівська дифракція, інфрачервона та рентгенівська фотоелектронна спектроскопія підтвердили, що квантові точки середнім розміром близько 3,5 нм успішно закріпилися на поверхні СdS без суттєвої зміни його кристалічної структури.Оптичні вимірювання показали, що введення СQDs розширює поглинання у видимій області та зменшує ширину забороненої зони СdS з 2,05 еВ до 2,01 еВ.

Майже дворазове зростання виходу водню

Ефективність утворення водню оцінювали, використовуючи 20 мг каталізатора у 100 мл води з додаванням сульфіту натрію та сульфіду натрію як жертвувальних агентів. Систему опромінювали видимим світлом від ксенонової лампи.Усі композити з СQDs перевершили чистий СdS. Через п’ять годин незмодифікований СdS дав 4633,5 мкмоль/г водню. Натомість композити з додаванням 6, 12 і 18 мл розчину СQDs забезпечили відповідно 6062,6, 7812,5 і 6855,6 мкмоль/г.Найкращий результат показав зразок із середнім завантаженням СQDs (12 мл розчину), тобто саме він майже вдвічі підвищив вихід водню порівняно з чистим СdS. Автори пояснюють, що надмірне покриття поверхні квантовими точками може блокувати активні центри, зменшувати проникнення світла або створювати додаткові пастки заряду.

Що показали електричні вимірювання

Фотоелектрохімічні досліди допомогли розкрити механізм покращення. Оптимізований композит досяг фотострумової щільності 49,9 мкА/см², що майже у 20 разів перевищує показник чистого СdS — 2,63 мкА/см².Міжфазний опір перенесення заряду зменшився з 17,81 до 12,65 кОм, а результати фотолюмінесценції свідчили про зниження рекомбінації електронів і дірок та збільшення часу життя носіїв заряду.У сукупності дані вказують, що целюлозні квантові точки виконують одразу дві ключові функції: розширюють поглинання світла як фотосенсибілізатори та захоплюють електрони з СdS, спрямовуючи їх до центрів відновлення протонів, де й утворюється водень.

Обмеження та перспективи матеріалу

Попри зростання активності, тести повторного використання показали зниження виходу водню вже після трьох циклів. Це означає, що фотокорозія СdS залишається серйозною проблемою довговічності.Загалом робота демонструє, що квантові точки з целюлози можуть стати простим, заснованим на біомасі способом покращення фотокаталізаторів СdS без застосування дорогоцінних металів чи складних наноструктур. Підхід поєднує відновлювану вуглецеву сировину з сонячним виробництвом водню та показує, як кількість СQDs впливає на поглинання світла, транспорт заряду й поверхневі реакції.Автори зазначають, що для придушення фотокорозії та підвищення довготривалої стабільності необхідні подальші дослідження захисних покриттів, кокаталізаторів, гетероструктур і хімії поверхні самих квантових точок. Лише після цього такі матеріали можна буде розглядати як кандидата для практичних систем отримання водню.Стаття Целюлозні квантові точки майже вдвічі підсилюють вихід водню з'явилася спочатку на Цікавості.