Нанопагода оксида цинка характеризуется наличием множества ступенчатых структур, поскольку состоит из стопок гексагональных призм разного размера. Кроме того, в нем очень мало кристаллических дефектов и отличная электронная проводимость. С поверхностью, украшенной наночастицами серебра, фотоэлектрод из массива оксида цинка приобретает свойства поглощения видимого света, что позволяет ему работать при облучении солнечным светом.

Подробности

Фотоэлектрохимическое расщепление воды с использованием солнечного света предполагается использовать в качестве технологии получения экологически чистой энергии в виде водорода. В качестве ключевых материалов для этой технологии фотоэлектроды должны обладать низким избыточным потенциалом для реакций расщепления воды, а также высокой эффективностью поглощения солнечного света и переноса заряда. Для практического применения этой технологии нельзя использовать редкие металлы в качестве первичных материалов, а процесс изготовления должен быть промышленным; однако материалы, удовлетворяющие этим требованиям, еще не разработаны.

Поэтому исследовательская группа сосредоточилась исключительно на массиве нанопагод из оксида цинка, поскольку такие массивы недороги в производстве, обладают высокой электронной проводимостью и не подвержены истощению сырья. Первоначально считалось, что массивы нанопагод из оксида цинка трудно изготовить с хорошей воспроизводимостью. Под руководством Марвы Абуэлелы (Marwa Abouelela), докторанта третьего года обучения, которая также является ведущим автором данной работы, команда сначала оптимизировала процесс синтеза, чтобы обеспечить высокую воспроизводимость. При оценке фотоэлектрохимических свойств полученного фотоэлектрода было отмечено возникновение относительно большого фототока при облучении псевдосолнечным светом. Помимо высокой эффективности переноса заряда, связанной с низкой плотностью дефектов и высокой активностью поверхностных химических реакций на многих этапах, анализ электромагнитного поля показал, что уникальная наноструктура нанопагоды способна эффективно улавливать ультрафиолетовые лучи, содержащиеся в падающем свете.

Чтобы обеспечить эффективное использование видимого света, на который приходится 55% солнечного света, исследовательская группа дополнительно улучшила фотоэлектрохимические свойства, украсив поверхность нанопагоды из оксида цинка наночастицами серебра, которые проявляют локализованный поверхностный плазмонный резонанс, что увеличило фототок примерно в 1,5 раза. Спектр действия величины фототока показывает, что это улучшение в первую очередь связано с горячим переносом электронов, вызванным поглощением видимого света локализованным поверхностным плазмонным резонансом наночастиц серебра. Оптимизируя применение наночастиц серебра, стало возможным только улучшить фотоэлектрохимические свойства, предотвратив при этом негативное влияние на свойства самой нанопагоды.

Предыстория разработки

Доцент Го Кавамура, один из авторов-корреспондентов, заявил следующее:

Нанопагоды оксида цинка рассматривались для применения только в эмиттерах электронных пушек, используя их высокую эффективность переноса заряда. Однако, поскольку структура имеет много ступеней, наша первоначальная идея заключалась в том, что она обладает высокой активностью в отношении поверхностных химических реакций и может быть пригодна для катализации фотоэлектрохимических реакций.

Преуспев в изготовлении нанопагоды, мы попытались повысить эффективность использования солнечного света путем применения наночастиц серебра, которые демонстрируют локализованный поверхностный плазмонный резонанс, и оценили эффект с помощью анализа электромагнитного поля; однако оказалось, что нанопагода из оксида цинка захватывает падающий свет, особенно ультрафиолетовые лучи, внутрь. Хотя это было совершенно неожиданно, это оказалось удачным открытием, поскольку данное свойство способствует улучшению фотоэлектрохимических свойств.

Перспективы на будущее

В настоящее время Марва и студенты той же лаборатории ведут исследование влияния точного структурного контроля нанопагод из оксида цинка, а также декорирования поверхности другими материалами на фотоэлектрохимические свойства этих пагод. Поскольку оксид цинка подвержен фотокоррозии, он не может сам по себе выдерживать длительное облучение солнечным светом, поэтому мы сосредоточились на повышении долговечности путем декорирования поверхности. После достижения высоких фотоэлектрохимических свойств и долговечности мы планируем провести процесс получения водорода путем расщепления воды в реальных условиях (разложение речной или морской воды под воздействием солнечного света) и решить реальные проблемы.