Ультра-швидка стабілізація позитивних зарядів, виявлена в каталізаторі сонячного пального

Ультрашвидке формування поляронів для ефективного водневого каталізу в NaTaO3

Шановні читачі, уявіть собі, що ми стоїмо на порозі нового етапу в використанні сонячної енергії для виробництва водню. Завдяки дослідникам, які новаторськи використовують квантово-хімічні молекулярні динамічні симуляції, стало можливим детальніше розглянути процес формування зарядостабілізуючих поляронів у NaTaO3 – фотокаталізаторі, що є еталонним для розщеплення води.

Результати дослідження надають захоплюючі перспективи для розробки фотокаталізаторів нового покоління. Виявилося, що позитивні заряди, або діркові полярони, стабілізуються надзвичайно швидко – всього за 50 фемтосекунд отримують енергію стабілізації приблизно 70 меВ. Це є вирішальним моментом у розробці фотокаталізаторів. Процес, що відбувається в NaTaO3, зумовлений подовженням зв’язків кисень-танат, враз відрізняється від стабілізації електронів, які залишаються делокалізованими.

Молекулярна динаміка: нові горизонти досліджень

Команді дослідників вдалося перетнути межі традиційних експериментальних методів, використовуючи молекулярну динаміку Борна-Оппенгеймера з прискореним підходом до щільносно-функціонального зв’язку. Це дало змогу спостерігати динаміку носіїв у нано-моделі NaTaO3 у режимі реального часу. Процес адаптації 256 формульних одиниць з дивовижною точністю – 1 фемтосекунда – дозволив візуалізувати ранню стадію стабілізації дірок.

Двоетапний процес стабілізації дірок починається з локалізації дірки біля довгих O-Ta зв’язків, які ще більше розтягуються під час релаксації структури. Це підкреслює важливість зв’язків O-Ta в проєктуванні фотокаталізаторів. Таким чином, увага до цих взаємодій може стати критичною ціллю для покращення ефективності матеріалів.

Шлях до раціонального проєктування каталізаторів

Результати дослідження, що підтримуються попередніми експериментами, відкривають можливості для раціонального дизайну каталізаторів. Зосереджені на хімії B-сайту перовскіту, можливі удосконалення дозволять налаштувати взаємодії O-Ta, що продовжить тривалість дірок і підвищить ефективність у виробництві сонячного водню.

Дослідження, основане на високоточних моделях і технологіях, відкриває двері до майбутнього, де водневий паливо стане доступнішим і екологічнішим. Перспективи, запропоновані роботою, надихають на активну участь у розробці новітніх матеріалів для відновлювальної енергетики. Ми поставлені на шлях, який може змінити вигляд альтернативної енергетики вже в найближчому майбут