Открытие было сделано совместной исследовательской группой под руководством доцента ТАЧИКАВА Такаши (Исследовательский центр молекулярной фотологии, Университет Кобе) и профессора МАДЗИМА Тетсуро (Институт научных и промышленных исследований, Университет Осаки). Их результаты были опубликованы 6 апреля в онлайн-версии Angewandte Chemie International Edition.
Когда свет применяется к фотокатализаторам, на поверхности катализатора образуются электроны и дырки, а водород получается, когда эти электроны восстанавливают ионы водорода в воде. Однако в традиционных фотокатализаторах дырки, которые образуются одновременно с электронами, в основном рекомбинируют на поверхности катализатора и исчезают, что затрудняет повышение эффективности преобразования.Исследовательская группа профессора Татикавы разработала фотокатализатор из мезокристалла, намеренно создавая неоднородность по размеру и расположению кристаллов.
Этот новый фотокатализатор способен пространственно разделять электроны и электронные дырки, чтобы предотвратить их рекомбинацию. В результате он имеет гораздо более эффективную степень превращения для производства водорода, чем обычные фотокатализаторы из наночастиц (примерно 7%).Команда разработала новый метод под названием «Топотаксический эпитаксиальный рост», который использует пространства нанометрового размера в мезокристаллах.
На основе этого метода синтеза они смогли синтезировать титанат стронция (SrTiO3) из соединения с другой структурой, оксида титана (TiO2), используя простую одностадийную гидротермальную реакцию. Увеличивая время реакции, они также могли выращивать более крупные частицы у поверхности, сохраняя при этом свою кристаллическую структуру.Когда они прикрепили сокатализатор к синтезированному мезокристаллу и применили ультрафиолетовый свет в воде, реакция протекала с эффективностью преобразования световой энергии примерно 7%. В тех же условиях наночастицы SrTiO3, которые не были преобразованы в мезокристаллы, достигли эффективности преобразования менее 1%, что доказывает, что эффективность реакции увеличилась в десять раз под мезокристаллической структурой.
Когда каждую частицу исследовали под флуоресцентным микроскопом, команда обнаружила, что электроны, образовавшиеся в ходе реакции, собирались вокруг более крупных нанокристаллов.Под воздействием ультрафиолетового света электроны в этом недавно разработанном фотокатализаторе плавно перемещаются между наночастицами внутри мезокристалла, собираются вокруг более крупных нанокристаллов, образующихся на поверхности кристалла, и эффективно восстанавливают ионы водорода с образованием водорода.Открытие этого мощного фотокатализатора началось с идеи исследователей «сознательно разрушить упорядоченную структуру мезокристаллов» — концепции, которая может быть применена к другим материалам. На этот раз использованный титанат стронция представляет собой кубический кристалл, что означает отсутствие изменений в молекулярной адсорбции или силе реакции для каждой кристаллической плоскости.
Регулируя размер и пространственное расположение нанокристаллов, которые образуют строительные блоки для этой структуры, можно значительно повысить эффективность преобразования световой энергии в существующей системе.Используя эти результаты, исследовательская группа планирует применить мезокристаллическую технологию для реализации сверхэффективного производства водорода из солнечной энергии.
Оксиды металлов перовскита, включая титанат стронция, являющиеся целью данного исследования, являются фундаментальными материалами электронных элементов, поэтому их результаты могут быть применены в широком диапазоне областей.