Фотокаталитическое расщепление воды для получения водородного топлива с помощью солнечного света уже давно считается одним из самых перспективных направлений чистой энергетики. Однако существующие технологии страдают от низкой эффективности. Основные проблемы – неполное использование солнечного спектра и медленная скорость реакции.
Исследователи отмечают, что традиционные методы фотокатализа в основном задействуют только ультрафиолетовый и видимый свет, игнорируя ближний инфракрасный диапазон, на который приходится более половины энергии солнечного излучения. Кроме того, стандартный процесс, где порошок катализатора dispersed в воде, создает сложную трехфазную систему «твердое тело – жидкость – газ». Такая конфигурация замедляет массообмен и снижает общую производительность.
В ответ на эти вызовы научная группа под руководством профессора Маочана Лю разработала инновационную интегрированную систему. Она объединяет фототермический субстрат, эффективно поглощающий тепловую энергию солнца, с высокопроизводительным фотокатализатором. Это позволяет без дополнительных затрат энергии одновременно испарять воду и расщеплять полученный пар на водород и кислород.
В основе новой разработки лежит преобразование реакционной среды. Вместо трехфазной системы «твердое тело – жидкость – газ» ученые создали более эффективную двухфазную конфигурацию «газ – твердое тело». В качестве фототермической основы используется обработанная меламиновая губка (AMS), которая под действием света нагревается и превращает воду в пар. Этот пар затем вступает в реакцию с фотокатализатором – гетероструктурой CdS/CoFe2O4 (CCF), которая эффективно разделяет фотогенерированные заряды и расщепляет молекулы воды.
Оптимизированная система демонстрирует впечатляющую скорость выделения водорода – 254,1 мкмоль/ч, что является значительным прорывом по сравнению с традиционными трехфазными системами. Такой результат достигается за счет синергии нескольких факторов: более полного использования энергии солнца, повышения общей температуры реакции и снижения сопротивления для переноса газов на поверхности катализатора.
Предложенный подход, сочетающий инновационный дизайн материалов и новую конструкцию реакционной системы, открывает практические пути для существенного повышения эффективности фотокаталитического производства водорода. Как заключают авторы исследования, «газотвердофазная система кардинально улучшает использование солнечной энергии и ускоряет каталитические процессы, что открывает новые горизонты для водородной энергетики».
