Сэмюэл Мао (Samuel Mao) из Калифорнийского университета в Беркли (США) вместе с коллегами разработал технологию внесения искусственного беспорядка в структуру наночастиц диоксида титана — полупроводника с широкой запрещённой зоной. Суть в следующем: белые кристаллы двуокиси титана подвергаются контакту с водородом, находящимся под высоким давлением; в результате гидрогенизации кристаллы становятся чёрными. И процесс этот довольно дёшев.
Зачем нужно «красить» основной компонент титановых белил? Всё просто: некоторые исследования (в том числе и с участием самого г-на Мао) показали, что
добавление наночастиц двуокиси титана в воду ведёт к выделению из неё водорода.
Рис. 1. Сэм Мао с образцами белого и чёрного диоксида титана в виде наночастиц (здесь и ниже иллюстрации Samuel Mao et al).
Напомним, что сегодня солнечная энергетика может использоваться лишь для экономии ископаемого топлива. Ибо дешёвых средств аккумулирования её энергии нет, и для подачи электричества ночью газ и нефть пока незаменимы. Преодолеть это можно, лишь научившись дёшево запасть энергию Солнца впрок.
И получение водорода из воды на свету в этом смысле одно из самых перспективных направлений, ибо водород — весьма калорийный вид топлива.
А способность сделать из белого вещества чёрное чрезвычайно ценна: в итоге наночастицы двуокиси титана поглощают больше световых волн, причём даже в инфракрасном и видимом диапазоне (особенно от 400 до 1 100 нм), что положительно сказывается на КПД производства водорода фотолизом.
Помните ли вы, что в естественном состоянии это вещество имеет запрещённую зону, приходящуюся на ближнее УФ-излучение (в нём TiO2 «чёрный»), а на него идёт лишь 5% от общей энергии солнечных лучей?
На встрече Американского химического общества в Новом Орлеане (США) Сэмюэл Мао заявил:
«Мы продемонстрировали рекордную эффективность чёрных наночастиц диоксида титана в генерации водорода при помощи фотокаталитической реакции с участием солнечных лучей».
Разумеется, процесс гидрогенизации двуокиси титана с целью изменения его структуры ведёт к некоторому поглощению (до 0,05 мг на 40 мг) водорода, полученного за 100 часов фотокатализа. Однако в целом, как видно из цифр, расход водорода на обработку наночастиц намного меньше, чем его последующая отдача.
Рис. 2. Белая (вверху) и чёрная (внизу) разновидности двуокиси титана под микроскопом. Сбоку видны полосы поглощения входящего излучения.
В то же время, отмечают авторы работы, сам метод получения чёрных наночастиц такого рода пока довольно энергозатратен: на протяжении пяти суток вещество нужно держать в водороде под давлением, в 20 раз превышающем атмосферное, и при температуре в 200°C.
Тем не менее, поскольку в фотокаталитическом процессе диоксид титана практически не расходуется, общая потребность в нём по массе невелика, и стоимость чернения наночастиц следует признать приемлемой.
Комментарии
Они слово "двуокись" - не знают. Только - оксид.
--------------------------------------------------------------------------------------------------
Думал что, TiO2 + H2 <=> TiO + H2O И направление зависит от условий. Но?
"Разумеется, процесс гидрогенизации двуокиси титана с целью изменения его структуры ведёт к некоторому поглощению (до 0,05 мг на 40 мг) водорода, полученного за 100 часов фотокатализа. Однако в целом, как видно из цифр, расход водорода на обработку наночастиц намного меньше, чем его последующая отдача." - То ли я химию не знаю?, то ли врут как все нано..и деньги пилят.
Здесь плохо со стехиометрией, восстановление происходит лишь по поверхности частиц, ядро остается таким же белым.
Товарищи не понимают, что фотокатализ вообще никак не связан с предыдущим расходом водорода, в принципе смесь низших оксидов на поверхности диоксида титана можно получить различными способами, например восстановлением другими восстановителями или осаждением низших оксидов из раствора. Если дело только цвете, то покрасить диоксид титана каким-либо другим способом тоже возможно.
Во-вторых, мне доводилось получать чёрную смесь оксидов титана и не таким экзотическим способом - просто нагреваешь на воздухе или металлический титан или любое его соединение в присутствии пара воды - и извольте бриться.
Но самое прикольное в том, что я недавно рецензировал работу, где пипл получал композит из нано-кластеров PbS, погружённых в TiO2. Типа, щель у TiO2 больше чем у PbS и потому он пропускает свет, а PbS его хавает и электрон выбрасывет в TiO2, чем и можно воспользоваться для всяких каталитических процессов. А тут пипл действует наоборот. А нафига?
Так вот зачем были нужны электроны, возбуждённые из PbS!