Японские ученые создали наноразмерный фотокатализатор для производства солнечного топлива

Графическая иллюстрация. Автор: ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c02229

В прорывном исследовании для технологии солнечного топлива японские ученые разработали наноразмерные пористые оксигалогенидные фотокатализаторы (Pb₂Ti₂O_5.4F_1.2), которые показали рекордную эффективность в производстве водорода из воды и преобразовании углекислого газа в муравьиную кислоту под действием солнечного света. Новый материал превзошел предыдущие оксигалогенидные катализаторы примерно в 60 раз. Это открытие предлагает масштабируемый и экологически чистый подход к производству солнечного топлива.

В поисках чистой энергии ученые стремятся использовать солнечный свет не только для выработки электроэнергии, но и для создания полезных видов топлива. Этот процесс стал возможен благодаря фотокатализаторам — материалам, способным поглощать видимый свет и запускать химические реакции. Под воздействием света эти катализаторы генерируют заряды (электроны и дырки), которые участвуют в реакциях, таких как расщепление воды на водород (H₂) и преобразование углекислого газа (CO₂) в муравьиную кислоту — жидкое топливо и переносчик водорода.

Одними из самых перспективных фотокатализаторов для этих целей являются свинцовые оксигалогениды Pb₂Ti₂O_5.4F_1.2 (PTOF). Эти материалы обладают узкой запрещенной зоной, что позволяет эффективно поглощать видимый свет, и устойчивы к жестким окислительным условиям, что важно для долговременной работы катализатора.

Группа исследователей из Института науки Токио (Science Tokyo) и Университета Хиросимы под руководством профессора Кадзухико Маэды и профессора Осаму Ишитани синтезировала более мелкие и пористые наночастицы PTOF, добившись фотокаталитической активности в ~60 раз выше, чем у ранее известных аналогов. Исследование опубликовано в журнале ACS Catalysis.

«Разработанный нами метод синтеза обеспечивает мировой рекорд по эффективности производства водорода и преобразования CO₂ в муравьиную кислоту среди оксигалогенидных фотокатализаторов, используя экологически чистый процесс», — говорит Маэда.

Уменьшение размера частиц повышает каталитическую активность, сокращая расстояние, которое должны преодолеть фотоиндуцированные заряды, чтобы достичь поверхности, что снижает вероятность их рекомбинации. Однако это также может привести к структурным дефектам, ухудшающим производительность. В данном исследовании ученые показали, что их метод позволяет избежать этих проблем за счет точного контроля формы и размера частиц.

Автор: Institute of Science Tokyo

Для синтеза частиц команда использовала метод микроволнового гидротермального синтеза, работающий при относительно низких температурах. В качестве источников свинца и фтора применялись нитрат свинца и фторид калия соответственно. Для титана тестировались три водорастворимых комплекса на основе лимонной, винной и молочной кислот. Также для сравнения был синтезирован стандартный образец PTOF с использованием хлорида титана (TiCl₄). Полученные осадки собирали и сушили.

Частицы PTOF, синтезированные с подходящими водорастворимыми комплексами титана, оказались меньше (менее 100 нм) и обладали высокой пористостью с площадью поверхности около 40 м²/г. Для сравнения, частицы, полученные с TiCl₄, были крупнее (0,5–1 мкм) и имели площадь поверхности всего 2,5 м²/г.

Такая наноструктуризация значительно улучшила фотокаталитическую активность. В случае генерации водорода PTOF на основе лимонной кислоты показал 60-кратное увеличение скорости реакции по сравнению с образцом, синтезированным с TiCl₄, достигнув квантового выхода около 15% при длине волны 420 нм. Для восстановления CO₂ лучшие результаты показал PTOF на основе винной кислоты, производя муравьиную кислоту с квантовым выходом около 10% в присутствии рутениевого фотокатализатора — оба значения являются рекордными для оксигалогенидных катализаторов.

Интересно, что ученые обнаружили, что меньшие частицы обладают более низкой подвижностью зарядов, но из-за сокращенного расстояния до поверхности носители заряда реже рекомбинируют и чаще участвуют в полезных химических реакциях.

Используя низкотемпературный экологичный метод и тщательно контролируя размер и структуру частиц, исследователи разработали практичный подход для масштабируемого и эффективного производства солнечного топлива.

«Это исследование подчеркивает важность контроля морфологии оксигалогенидов для раскрытия их полного потенциала в качестве фотокатализаторов искусственного фотосинтеза. Наши результаты внесут значительный вклад в разработку инновационных материалов для решения глобальных энергетических проблем», — заключает Маэда.

Дополнительная информация: Hiroto Ueki et al, Mesoporous Oxyhalide Aggregates Exhibiting Improved Photocatalytic Activity for Visible-Light H₂ Evolution and CO₂ Reduction, ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c02229