Прорыв в электрохимии: потенциал электрода создал активные центры на полупроводнике

Ученые из Университета Ювяскюля обнаружили механизм, который позволяет получать зелёный водород с помощью полупроводниковых электродов. В основе открытия — поведение диоксида титана при изменении электрического потенциала. Когда потенциал снижается, отдельный атом титана на поверхности приобретает отрицательный заряд. Это запускает образование так называемых полярронов — локализованных центров заряда, которые и становятся активными площадками для реакции выделения водорода.

Раньше считалось, что эффективные катализаторы для электролиза воды должны быть металлическими, часто с использованием дорогих элементов вроде платины. Новая работа показала, что полупроводники могут работать не хуже, а в некоторых аспектах и лучше. Профессор Каролийна Хонтала и старший преподаватель, научный сотрудник Академии, отметили, что полупроводниковые материалы позволяют задействовать более распространённые и доступные элементы, что критически важно для масштабирования технологии.

Команда применила метод атомного моделирования с постоянной внутренней плотностью функционала, чтобы отследить, как именно изменение потенциала электрода влияет на поверхность TiO₂. Расчёты, проведённые совместно с партнёрами, предсказали: локальные зарядовые центры — полярроны — возникают на поверхности оксида титана и катализируют реакцию выделения водорода. Чтобы подтвердить эти выводы, потребовались сложные эксперименты: фотоэлектрохимическая рамановская спектроскопия, электронно-резонансная спектроскопия in situ и операндо-фотоэлектронная спектроскопия. Хонтала подчеркнула, что эксперименты коллег были крайне трудоёмкими и длительными, однако именно они напрямую доказали: управление потенциалом электрода действительно создаёт полярроны на поверхности полупроводника, и эти центры запускают нужную реакцию.

Особенность открытия в том, что образование полярронов под контролем потенциала электрода — явление, ранее не описанное в электрохимии. На обычных металлических электродах такого не происходит. Исследователи полагают, что этот механизм можно будет использовать при проектировании новых катализаторов. Хонтала и Меландер указали, что полярроны позволяют полупроводниковым электродам обходить так называемые скейлинговые соотношения — эмпирические закономерности, которые на металлических поверхностях жёстко ограничивают максимально достижимую каталитическую активность. Обход этих ограничений открывает путь к принципиально новым подходам в дизайне материалов для водородной энергетики.

Источник: interestingengineering