Имитировать природу нелегко, однако новые результаты, полученные в Berkeley Lab, могут содействовать созданию искусственных систем фотосинтеза, получающих топливо из воды, углекислого газа и солнечного света.

Ученые предложили комбинацию экспериментальных и теоретических методов строгой оценки способности материалов противостоять коррозионному воздействию среды, являющейся неотъемлемой частью систем фотосинтеза.

В природных системах стабильность компонентов, участвующих в фотосинтезе, не так важна поскольку в живых клетках они непрерывно восполняются. В практических генераторах солнечного топлива рабочие материалы не восстанавливаются, поэтому их эффективность быстро деградирует из-за износа в агрессивном окружении.

Итоги исследований, проведённых сотрудниками Berkeley Lab в составе Объединённого центра искусственного фотосинтеза (JCAP) Министерства энергетики США, обсуждаются в статье, опубликованной 5 июля в Nature Communications.

Ученые сосредоточили внимание на ванадате висмута, тонкоплёночном полупроводнике, считающемся ведущим кандидатом на роль фотоанода. Согласно традиционным методам оценки характеристик материала, ванадат висмута должен быть устойчивым к химическим атакам, что не соответствует реальности. На самом деле, это соединение демонстрирует сложные химические нестабильности из-за кинетических ограничений, а именно, неспособности к структурной реорганизации поверхностной фазы в стабильную конфигурацию в рабочих условиях.

Используя тщательно подобранные экспериментальные методы, авторы проанализировали ванадат висмута до и после работы, а также непосредственно в ходе эксплуатации. Они выяснили, что накопление на поверхности пленки порождаемого светом заряда ведёт к структурной дестабилизации и химической атаке на металлоксидный полупроводник.

«Для сложных металлических оксидов необходима значительная структурная реорганизация с образованием на поверхности тонкого термодинамически стабильного слоя, и процесс этот может протекать очень медленно», — заявляет Франческа Тома (Francesca Toma) сотрудник отдела химических наук Berkeley Lab.

«Понимание причин деградации критично для конструирования более стойких материалов, — считает соавтор статьи, Кристин Перссон (Kristin Persson). — Мы надеемся, что эта работа поможет улучшить характеризацию и разработку новых материалов с повышенной операционной стабильностью».