Квантовые точки для искусственного фотосинтеза
Химики из Китая разработали композитный материал, состоящий из перовскитных квантовых точек и оксида графена, который способен ускорять процесс, давно уже получивший название «искусственный фотосинтез», — восстановление CO2 при облучении
светом. Это первый пример искусственного фотосинтеза, в котором задействованы перовскитные квантовые точки («Journal of the American Chemical Society», 2017, 139, 16, 5660—5663, doi: 10.1021/jacs.7b00489). По словам руководителя исследования Дай-Бин
Куана из Университета Сунь Ятсена в Гуанчжоу, использованные в ходе работы галогенидные перовскиты показали рекордную эффективность в фотовосстановлении — 22,1%, и можно надеяться, что вскоре эти материалы бросят вызов уже существующим фотокатализаторам.
В качестве фотокатализатора восстановления диоксида углерода был использован композитный материал, состоящий из оксида графена и перовскитных квантовых точек.
Перовскитами в настоящее время называют природные и синтетические вещества с таким же строением кристаллической решетки, как у редкого минерала — перовскита (титаната
кальция CaTiO3). Перовскитной структурой обладают высокотемпературные сверхпроводники, ионные проводники, а также многие магнитные и сегнетоэлектрические материалы.
Куан с коллегами получили квантовые точки — полупроводниковые наночастицы — из устойчивого цезий-свинецгалогенидного перовскита, а затем использовали квантовые точки для получения композитного материала, вторым компонентом которого был оксид графена. И данный перовскит, и оксид графена до этого продемонстрировали способность к эффективному поглощению видимого света и сильной люминесценции. Композитный материал выступил в роли катализатора основного этапа искусственного фотосинтеза — восстановления CO2; солнечный свет имитировали ксеноновой лампой с подходящим светофильтром.
Оказалось, что квантовые точки из перовскита эффективнее квантовых точек из сульфида кадмия и других классических материалов — они обеспечивают более высокую конверсию восстановления углекислого газа до монооксида углерода и метана. Кроме того, в композите проявился синергетический эффект: в комбинации с оксидом графена производительность перовскитных квантовых точек увеличилась на 26%; Куан полагает,
что оксид графена улучшил разделение заряда и его транспорт.
Признавая, что оксид графена не самый дешевый и удобный в работе материал, Куан и его коллеги ищут альтернативу. Они ожидают, например, хорошей производительности от композитного материала, в котором оксид графена будет заменен на оксид титана TiO2. Есть недостаток и у свинецгалогенидных перовскитов, несмотря на высокую производительность, — они могут вносить вклад в загрязнение окружающей среды свинцом. Эту проблему тоже пытаются решать, заменяя свинец менее опасными
металлами. Куан и его коллеги наметили несколько перспективных для фотокатализа перовскитов, не содержащих свинец, однако о каких соединениях идет речь, пока не сообщают.