Newswise — Zespół badawczy poprawił absorpcję energii słonecznej przez tytanowe klastry okso. Ich praca pokazuje skuteczną strategię regulowania zachowań absorpcji światła tych klastrów poprzez importowanie bogatych w elektrony heterometali. Wyniki te mają potencjalne zastosowania w dziedzinie energii słonecznej, gdzie konwersja energii słonecznej napotyka obecnie pewne ograniczenia.

Prace zespołu są publikowane w czasopiśmie polioksometalany 2 grudnia 2022 r.

Energia słoneczna oferuje potencjał złagodzenia stopniowego wyczerpywania się globalnych źródeł energii. Naukowcy uważają dwutlenek tytanu za jednego z najbardziej obiecujących materiałów do konwersji słonecznej ze względu na jego doskonałą stabilność, trwałość i aktywność. Jednak dwutlenek tytanu ma duże pasmo wzbronione, co powoduje, że wykorzystywana jest tylko niewielka część widma słonecznego. Podobnie, strategia domieszkowania metalami jest dobrze przyjęta w celu poprawy absorpcji i wydajności promieniowania słonecznego, ponieważ tworzy poziomy zanieczyszczeń w zabronionych pasmach.

Zespołowi udało się skonstruować dwa klastry heterometaliczne, aby poprawić absorpcję promieniowania słonecznego i wydajność tytanowych klastrów okso. Heterometaliczny opisuje dowolny związek, w którym jeden lub więcej atomów jest zastąpionych atomami innego metalu. Zespół badawczy przeprowadził analizę dyfrakcji rentgenowskiej monokryształu, w której dobrze określono klastry heterometaliczne i stwierdzono, że często występują interakcje molibdenu.

Badania absorpcji w świetle ultrafioletowym w stanie stałym przeprowadzone przez zespół wskazują, że struktury te wykazują zwiększoną absorpcję światła widzialnego i znacznie zmniejszają optyczne przerwy wzbronione, co można głównie przypisać wprowadzeniu bogatych w elektrony par molibdenu (Mo) jako heterometali. „Odkryliśmy, że bogate w elektrony pary Mo-Mo można wprowadzić do tytanowych klastrów okso w celu zwiększenia absorpcji światła widzialnego” – powiedział Lei Zhang, profesor w Fujian Institute of Research on the Structure of Matter Chińskiej Akademii Nauk.

Krystaliczne klastry tytanu oxo z ich precyzyjnymi i dostosowanymi strukturami są funkcjonalnymi cząsteczkowymi materiałami z dwutlenku tytanu. Większość metali w układzie okresowym została włączona do tytanowych klastrów okso, a ich mikroskopijna struktura elektronowa i makroskopowe działanie mogą być modyfikowane. Jednak niewiele badań przeprowadzono na klastrach tytanu okso domieszkowanych molibdenem.

Dzięki ich odrębnym strukturom molekularnym i elektronicznym naukowcy są szczególnie zainteresowani bogatymi w elektrony metalowymi klastrami okso, które mają wiązania metal-metal, ze względu na ich potencjał do wykorzystania w obszarach katalizatorów, elektroniki i akumulatorów. Klastry modyfikowane przez heterometale ze zdelokalizowanymi elektronami wykazały potencjalne korzyści w inżynierii pasma wzbronionego i katalizie. Z tych powodów zespół wykorzystał chlorek molibdenu jako źródło metalu o niskiej wartościowości. Pracując z kwasem karboksylowym w środowisku alkoholowym, manipulowali procesem elastycznej kondensacji hydrolizy i różnymi układami niskowartościowych heterometalicznych klastrów molibden-tytan-okso.

Dwa heterometaliczne klastry, które stworzył zespół, mają Mo^V-Mo^V wspólne obligacje. Uzyskane przez naukowców pomiary spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich ujawniły jednoczesną obecność Mo^V i Mo^VI w jednym z klastrów, co wskazuje na pierwszy przykład mieszanej wartościowości Mo^V/VI domieszkowanie w heterometalicznych klastrach okso tytanu.

W optoelektronice pasmo wzbronione półprzewodnika określa jego potencjalne zastosowania. Zespół zbadał pasma wzbronione swoich dwóch heterometalicznych klastrów za pomocą analizy spektroskopii rozproszonego odbicia. Odkryli, że optyczne pasma wzbronione tych dwóch związków są radykalnie zmniejszone. Przypisują tę redukcję pasm wzbronionych wprowadzeniu bogatych w elektrony par Mo-Mo jako heterometali. Ponadto zespół odkrył, że pasma skutecznie przesuwają się w kierunku obszaru światła widzialnego, jak pokazują pomiary spektroskopii w świetle widzialnym i ultrafiolecie w stanie stałym. Prace zespołu nie tylko wzbogacają różnorodność strukturalną metalowych klastrów okso, ale także zapewniają prostą drogę do modulacji właściwości bogatych w elektrony klastrów okso tytanu domieszkowanych molibdenem.

Wybiegając w przyszłość, zespół ma nadzieję na skonstruowanie heterometalicznych klastrów okso o jeszcze lepszej absorpcji światła widzialnego i poprawionej stabilności. „Ostatecznym celem jest opracowanie wydajnych katalizatorów klastrowych do rozdzielania wody na wodór za pomocą energii słonecznej” – powiedział Zhang.

W skład zespołu badawczego wchodzą Xiaofeng Yi, Jian Zhang i Lei Zhang, którzy pracują w Instytucie Badań nad Strukturą Materii Fujian, Chińskiej Akademii Nauk; oraz Weizhou Chen, który pracuje w Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chińskiej Akademii Nauk oraz na Uniwersytecie w Fuzhou.

Badania te są finansowane przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin i Fundację Nauk Przyrodniczych prowincji Fujian.

##

O polioksometalany

polioksometalany jest recenzowanym, międzynarodowym i interdyscyplinarnym czasopismem badawczym, które koncentruje się na wszystkich aspektach polioksometalanów, opisywanym w trybie szybkiego przeglądu i szybkiego publikowania, sponsorowanym przez Uniwersytet Tsinghua i publikowanym przez Tsinghua University Press. Zgłoszenia są przyjmowane we wszystkich obszarach tematycznych, począwszy od podstawowych aspektów nauki o polioksometalanach, a skończywszy na praktycznych zastosowaniach takich materiałów. polioksometalany oferuje czytelnikom atrakcyjną mieszankę autorytatywnych i kompleksowych recenzji, oryginalnych, nowatorskich badań w formatach komunikacyjnych i pełnych dokumentów, komentarzy i wyróżnień.

O SciOpen

SciOpen jest profesjonalnym zasobem o otwartym dostępie do odkrywania treści naukowych i technicznych publikowanych przez Tsinghua University Press i jej partnerów wydawniczych, zapewniającym naukowej społeczności wydawniczej innowacyjną technologię i wiodące na rynku możliwości. SciOpen zapewnia kompleksowe usługi obejmujące przesyłanie manuskryptów, recenzowanie, hosting treści, analitykę i zarządzanie tożsamością oraz porady ekspertów, aby zapewnić rozwój każdego czasopisma, oferując szereg opcji obejmujących wszystkie funkcje, takie jak układ czasopisma, usługi produkcyjne, usługi redakcyjne, Marketing i promocje, funkcjonalność online itp. Dzięki digitalizacji procesu wydawniczego SciOpen poszerza zasięg, pogłębia oddziaływanie i przyspiesza wymianę pomysłów.