Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) показали, что один и тот же слой органического полупроводника может работать как фотокатод (восстанавливать протоны до водорода) или как фотоанод (окислять воду до кислорода) - в зависимости от того, какая молекулярная плёнка находится под ним. На основе этого эффекта они построили первый фотокаталитический лист на органическом полупроводнике, который расщепляет воду под действием имитированного солнечного света без приложения внешнего напряжения.

Фотокаталитические листы объединяют зоны выделения водорода и кислорода на одном проводящем основании. Это позволяет обойтись без внешних проводов, как в фотоэлектрохимических ячейках, и без растворённых переносчиков заряда, как в суспензиях частиц. Такая конструкция считается перспективной для крупномасштабного получения солнечного водорода. Однако до сих пор подобные листы делали из неорганических полупроводниковых частиц, которые трудно собрать в работающий лист.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Energy, группа под руководством доктора Николя Диркса и доктора Джина Су Парка из лаборатории LIMNO в EPFL пошла другим путём. Они нанесли слой полупроводящего полимера (смесь PBDTTTPD:PNDIHDT) из раствора на подложки из оксида олова, легированного фтором (FTO), модифицированные самособирающимися молекулами с противоположно направленными диполями. На карбазольном контакте (2PACz) плёнка работает как фотокатод для выделения водорода. На новом нафталимидном контакте (NI-PA) та же плёнка действует как фотоанод для выделения кислорода.

Затем исследователи сформировали из этих молекул микрообласти методом контактной печати и добавили сокатализаторы - платину и оксид иридия. Полученный лист расщеплял воду без внешнего напряжения более двух часов, выделяя водород и кислород в ожидаемом соотношении 2:1. Стабилизированная скорость выделения водорода составила 1,3 микромоля в час на квадратный сантиметр, что соответствует скромной эффективности преобразования солнечной энергии в водород около 0,1%.

Работа также выявляет ограничения. Уменьшение размера областей с 1 мм до 100 мкм или 10 мкм снижало эффективность, поскольку на границах между областями ухудшается извлечение заряда. Простой метод напыления для создания рисунка нижнего слоя показывает, как концепцию можно масштабировать. Эффективность пока слишком низка для практического применения, но исследование задаёт стратегию дизайна органических фотокаталитических листов и указывает дальнейшие шаги: акцепторы с более узкой запрещённой зоной, лучшие молекулы для селективного переноса заряда и более избирательное нанесение сокатализаторов.

Источник: Tech Xplore