Ученые обнаружили 67 новых соединений галогенов (хлора, брома, фтора и йода), которые потенциально могут существовать в двумерном виде, что открывает широкие перспективы их применения в прикладных задачах, например при создании приборов для преобразования солнечной энергии. Проанализировав эти вещества, авторы выяснили, что некоторые из них способны извлекать из воды водород под действием солнечного света. Водород — перспективное топливо для «зеленой» энергетики, и обнаруженные соединения позволят удешевить его получение в три раза. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), а также Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований (БРФФИ), опубликованы в журнале 2D Materials.
Коллектив ученых создал базу галогенидов. Источник: Андрей Кистанов
Галогениды — это соединения галогенов, к которым относятся фтор, хлор, бром и йод — с другими атомами, например металлами. Данный класс веществ давно известен исследователям по всему миру. Однако их двумерные формы, то есть соединения толщиной всего в один атом, до сих пор не были широко исследованы. Двумерные структуры благодаря своим размерам и большой площади поверхности обладают необычными свойствами, включая высокую механическую прочность и уникальные оптоэлектронные характеристики. Таким образом, переход от объемной структуры к двумерной зачастую открывает новые перспективы использования давно известного класса материалов во многих областях, включая электронику и энергетику. Например, из них изготавливают транзисторы и солнечные элементы.
Ученые из Уфимского университета науки и технологий (Уфа) и Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (Минск) создали базу соединений двумерных галогенидов. Для этого авторы использовали квантово-механическое моделирование, которое позволило охарактеризовать взаимодействия между атомами в каждом веществе и определить физические свойства соединений. Полученную базу исследователи разместили в открытом доступе, поэтому воспользоваться ею может любой желающий. Кроме того, авторы предполагают, что в будущем с этой базой будет работать искусственный интеллект, который сможет по требуемым человеку физическим свойствам проектировать соответствующую структуру материала.
Затем ученые использовали созданную ими базу галогенидов, чтобы продемонстрировать потенциальную применимость обнаруженных материалов. Авторы выяснили, что некоторые соединения способны под действием света расщеплять воду на водород и кислород, то есть пригодны для применения в качестве материалов для солнечной и водородной энергетики. Соединения цинка, хлора и йода, а также цинка, брома и йода показали эффективность превращения солнечной энергии в энергию связей молекулы водорода, равную 22%. Это означает, что теоретически материалы на основе таких веществ способны из 100 Ватт солнечной энергии получать 22 Ватта водородной энергии.
На сегодняшний день самая высокая эффективность преобразования солнечной энергии в водородную составляет порядка 30%, однако на практике используются материалы с эффективностью порядка 10%, так как их производство достаточно отработано. Именно такой показатель делает производство водорода экономически выгодным. Таким образом, если создать элементы солнечных батарей из соединений цинка, хлора и йода или цинка, брома и йода, они позволят удешевить производство водорода примерно в три раза по сравнению с используемыми сейчас технологиями.
«В дальнейшем мы планируем оценить возможность использования этих галогенидов в других прикладных областях. Например, из них возможно создать эффективные рабочие слои для тандемных солнечных элементов. За счет высокой светочувствительности соединений такие слои будут предотвращать утечку заряда, то есть повысят эффективность преобразования солнечной энергии в электроэнергию», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Кистанов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Уфимского университета науки и технологий.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
