Имитируя работу марганца

Справа – фотоэлектрохимическая (РЕС) ячейка для получения водорода в результате фотолиза воды; слева показано соединение муравьиной кислоты (формиата FA) со свинцом (Pb) и йодом (I) в ячейке с электродами из никелевой (Ni) и платиновой фольги (Pt foil). Иллюстрация Physorg

Так исторически вышло, что в начале двух веков были сделаны важные открытия, плодами которых люди и ученые пользуются и поныне. В 1801 году Томас Юнг, глазной врач из Лондона, направил свет на дощечку с двумя узкими прорезями. К своему удивлению, он увидел на белой стене картину чередующихся светлых и темных полос. Это было похоже на «поведение» волн на поверхности воды, в которую одновременно бросили два камня; одни волны становятся выше, а другие вовсе пропадают.

Юнг понял, что темные полосы получаются в результате того, что волны «мешают» друг другу, и назвал наблюдаемое вмешательство латинским словом interferentia. Прошло чуть более века, и Альберт Эйнштейн предложил Общую теорию относительности (ОТО), согласно которой тяготение определяется не просто массами небесных тел, а испускаемым гравитационными волнами. Ровно через век их действительно зарегистрировали с помощью лазерного интерферометра, как бы объединив два достижения человеческой мысли.

Уже в 1921 году Эйнштейну присудили Нобелевскую премию – правда, за описание и объяснение светового эффекта, заключающегося в «выбивании» фотонами электронов металла. Это явление лежит в основе работы фотоэлементов. Через 35 лет свою первую Нобелевскую получит американский физик Джон Бардин, который изобрел в 1948 году первый полупроводниковый «переносчик с резистором» – транзистор. При подаче тока электрон возбуждается и «уходит» с орбиты, оставляя после себя «дырку» (hole). В результате на короткое время возникает виртуальная частица – экситон: электрон-дырочная пара, исследовать свойства которой до последнего времени не представлялось возможным.

Дело в том, что электрон после возбуждения пребывает на уровне с большей энергией чрезвычайно малое время, после чего возвращается на исходный уровень, испуская при этом фотон. Развитие технологий обогатило арсенал экспериментальный арсенал ученых источниками сверхкоротких фемтосекундных (10–15 с) импульсами света. В Университете Геттингена, используя такие источники, сумели «расколоть» экситонную пару. Авторы статьи в журнале Science Advances полагают, что их подход позволит глубже разобраться в механизме возникновения экситона и в будущем успешнее использовать «оптику» при исследованиях электронных состояний.

Ученые давно занимаются ими, пытаясь понять квантовую физику процесса фотосинтеза, которым живые клетки овладели 3 млрд лет назад. Нечто подобное ученые пытаются воспроизвести с помощью перовскита – светоулавливающего материала, используемого в солнечных панелях. Определенного успеха в этом направлении достигли в Институте науки и технологии г. Ульсан, что на юго-восточном побережье Южной Кореи.

Авторы синтезировали соединение муравьиной кислоты с трийодидом свинца (PbI3), получив с его помощью фотоанод на основе перовскита. Этот анод заключают в никелевую фольгу. В качестве стойкого электрохимического катализатора использовалось стойкое никель-железное основание (NiFeOOH). Это позволило генерировать ток с плотностью 22,8 мА/см2 и напряжением 1,23 В. Все это и решение других вопросов дало стабильное и эффективное производство водорода за счет фотолиза (разложения под действием света) воды...

Рано утром и ближе к вечеру солнце становится красным, что говорит о большой доле околоинфракрасного излучения (NIR). Эффективность солнечных батарей при этом падает. А вот в случае марганца, который используют растения в процессе фотосинтеза, этого не происходит.

В Университете Майнца получили комплекс металла с органическим лигандом ([Mn (dgpy) 2]), который эффективно улавливает NIR, образуя возбужденное состояние продолжительностью 1,6 наносекунды (1,6 х 10–9 с) после возбуждения. Использование комплекса, по мнению ученых, минимизирует потери свободной энергии. Это способствует более полному использованию потенциала процесса фотоокисления, что очень важно для проведения химических реакций при низкой освещенности. К тому же марганец чуть ли не второй по распространенности после кремния элемент земной коры.