1243
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 Newswise Science News, дослідники показали, що квантові точки з целюлози, нанесені на наночастинки сульфіду кадмію (CdS), здатні майже вдвічі збільшити продуктивність утворення водню під дією видимого світла.
Чому саме CdS 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, CdS може ефективніше використовувати сонячний спектр.
Однак практичне застосування CdS 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 (CQDs) 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 (Quan Sophia He) з Університету Далхаузі зосередилася на CQDs, 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 CdS.
У статті, опублікованій у журналі Sustainable Carbon Materials, автори показали, що саме такі CQDs істотно покращують поглинання світла, розділення зарядів і продуктивність утворення водню наночастинками CdS.
Як виготовили композит CQDs/CdS
Спочатку дослідники синтезували квантові точки, нагріваючи мікрокристалічну целюлозу з кукурудзяних стрижнів у воді при 200 °C протягом 12 годин. Після цього розчин очищували центрифугуванням, фільтрацією та діалізом.
Наночастинки CdS отримували окремо гідротермальною реакцією з використанням хлориду кадмію та тіосечовини. Потім до CdS додавали різні об’єми розчину CQDs — 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 CdS без суттєвої зміни його кристалічної структури.
Оптичні вимірювання показали, що введення CQDs розширює поглинання у видимій області та зменшує ширину забороненої зони CdS 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 CQDs перевершили чистий CdS. Через п’ять годин незмодифікований CdS дав 4633,5 мкмоль/г водню. Натомість композити з додаванням 6, 12 і 18 мл розчину CQDs забезпечили відповідно 6062,6, 7812,5 і 6855,6 мкмоль/г.
Найкращий результат показав зразок із середнім завантаженням CQDs (12 мл розчину), тобто саме він майже вдвічі підвищив вихід водню порівняно з чистим CdS. 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 CdS — 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 CdS, 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 CdS залишається серйозною проблемою довговічності.
Загалом робота демонструє, що квантові точки з целюлози можуть стати простим, заснованим на біомасі способом покращення фотокаталізаторів CdS без застосування дорогоцінних металів чи складних наноструктур. Підхід поєднує відновлювану вуглецеву сировину з сонячним виробництвом водню та показує, як кількість CQDs 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.
Целюлозні квантові точки майже вдвічі підсилюють вихід водню з’явилася спочатку на Цікавості.
