Использование солнечного света для разложения воды и получения водородного топлива - один из наиболее многообещающих путей освобождения человечества от нефтяной зависимости. Так получилось, что живая природа уже издала наглядное пособие по разложению воды при помощи солнечной энергии. А группа ученых из Китая, США и Японии постаралась воспользоваться этим пособием.
Все знают, как выглядит лист растения. Многие, возможно, даже помнят картинки из учебника биологии, изображающие срез листа и его строение. Те же, кто забыл, могут освежить память, взглянув на рисунок 1. Видите, как удачно расположены все составляющие? Клетки эпидермиса работают как собирающие линзы, направляя свет в глубину листа. Вытянутые, плотно расположенные клетки столбчатого мезофилла не препятствуют прохождению света в нижние слои. Клетки губчатого мезофилла имеют неправильную форму и расположены в беспорядке, благодаря чему свет рассеивается во все стороны и в итоге поглощается с большой эффективностью. На рисунке 2 приведена микрофотография поверхности листовой пластинки ветреницы виноградолистной, вдохновившей ученых.
Оксид титана TiO2 хорошо известен как фотокатализатор для получения водорода. Исследователи решили смастерить из диоксида титана «неорганический лист» в надежде, что такая структура улучшит его фотокаталитические свойства. Для этого сначала настоящий лист пропитывали растворами хлорида титана и тетрабутил титаната, а затем сушили и отжигали при 500 °C. При этом органическая матрица разлагалась и получался каркас из частиц TiO2, допированных азотом (так как азот находится в живом организме в больших количествах). Однако добавки азота оказались только на руку исследователям, так как смещали фотокаталитическую активность частиц в область видимого света. На рисунке 3 показаны некоторые элементы получившегося слепка. Красота, да и только. Но что там насчет синтеза водорода?
В чистой воде продукция водорода была очень неэффективной. Это можно объяснить как тем, что фотогенерированные электроны и дырки взаимодействуют друг с другом вместо того, чтобы восстанавливать водород, так и обратной реакцией между полученными водородом и кислородом с образованием воды. Да, не только внешняя форма листа обеспечивает эффективную продукцию водорода – оказывается-то, что роль переносчиков заряда очень существенна! Добавив к воде метанол (до 20%), исследователи добились заметного выхода водорода (рисунок 4a). Дело пошло еще лучше после того, как на поверхности искусственного листа были осаждены наночастицы платины (рисунок 4b). В общем виде процесс получения водорода в искусственном листе представлен на рисунке 5.
Работа «Artificial Inorganic Leafs for Efficient Photochemical Hydrogen Production Inspired by Natural Photosynthesis» опубликована в Advanced Materials.
Все знают, как выглядит лист растения. Многие, возможно, даже помнят картинки из учебника биологии, изображающие срез листа и его строение. Те же, кто забыл, могут освежить память, взглянув на рисунок 1. Видите, как удачно расположены все составляющие? Клетки эпидермиса работают как собирающие линзы, направляя свет в глубину листа. Вытянутые, плотно расположенные клетки столбчатого мезофилла не препятствуют прохождению света в нижние слои. Клетки губчатого мезофилла имеют неправильную форму и расположены в беспорядке, благодаря чему свет рассеивается во все стороны и в итоге поглощается с большой эффективностью. На рисунке 2 приведена микрофотография поверхности листовой пластинки ветреницы виноградолистной, вдохновившей ученых.
Оксид титана TiO2 хорошо известен как фотокатализатор для получения водорода. Исследователи решили смастерить из диоксида титана «неорганический лист» в надежде, что такая структура улучшит его фотокаталитические свойства. Для этого сначала настоящий лист пропитывали растворами хлорида титана и тетрабутил титаната, а затем сушили и отжигали при 500 °C. При этом органическая матрица разлагалась и получался каркас из частиц TiO2, допированных азотом (так как азот находится в живом организме в больших количествах). Однако добавки азота оказались только на руку исследователям, так как смещали фотокаталитическую активность частиц в область видимого света. На рисунке 3 показаны некоторые элементы получившегося слепка. Красота, да и только. Но что там насчет синтеза водорода?
В чистой воде продукция водорода была очень неэффективной. Это можно объяснить как тем, что фотогенерированные электроны и дырки взаимодействуют друг с другом вместо того, чтобы восстанавливать водород, так и обратной реакцией между полученными водородом и кислородом с образованием воды. Да, не только внешняя форма листа обеспечивает эффективную продукцию водорода – оказывается-то, что роль переносчиков заряда очень существенна! Добавив к воде метанол (до 20%), исследователи добились заметного выхода водорода (рисунок 4a). Дело пошло еще лучше после того, как на поверхности искусственного листа были осаждены наночастицы платины (рисунок 4b). В общем виде процесс получения водорода в искусственном листе представлен на рисунке 5.
Работа «Artificial Inorganic Leafs for Efficient Photochemical Hydrogen Production Inspired by Natural Photosynthesis» опубликована в Advanced Materials.
)