Ультрашвидка стабілізація позитивних зарядів, виявлена в каталізаторі сонячного пального
Інновації у фотокаталізаторах: нове дослідження розкриває секрети NaTaO3
Альтернативна енергетика постійно розвивається, і один зі світових фаворитів — це сонячна енергетика. Нещодавнє дослідження проливає світло на ультрашвидке утворення зарядостабілізуючих поляронів у NaTaO3, важливому фотокаталізаторі для сонячного розщеплення води. Це не тільки відкриває нові можливості для розробки ефективніших фотокаталізаторів наступного покоління, але й дає нам розуміння процесів, які тривалий час залишались загадкою господарів миру науки.
Використовуючи квантово-хімічні молекулярні динамічні моделювання, дослідники виявили дивовижні нюанси у формуванні позитивних зарядів – діркових поляронів. Вони з’ясували, що дані полярони стабілізуються значно швидше й ефективніше, ніж електрони. Згідно з даними дослідив, діркові полярони піддаються стабілізації на 70 meV всього за 50 фемтосекунд. Цей стрімкий процес значною мірою обумовлений подовженням зв’язків кисень-таналь у структурі.
На противагу цьому, електронні полярони залишаються делокалізованими і виявляють слабку стабілізацію. Цей розподіл у поведінці пояснює, чому дірки мають провідну роль у каталізаторних реакціях NaTaO3. Завдяки цьому, науковці отримують критичні інсайти, які можуть суттєво вплинути на майбутнє дизайну фотокаталізаторів.
Подолання експериментальних обмежень
Команда дослідників подолала численні експериментальні обмеження, впровадивши молекулярну динаміку Борна-Оппенгеймера з передовими методами розподілу і розділення щільнісно-функціонального зв’язування. Це дозволило створити надзвичайно деталізовану наномасштабну модель NaTaO3 з роздільною здатністю однієї фемтосекунди, яка фіксує динаміку носіїв у реальному часі.
Дватьох етапний шлях стабілізації
Згідно з дослідниками, процес стабілізації діркових поляронів починається з локалізації дірки біля вже подовжених O-Ta зв’язків. Після цього зв’язки ще більше подовжуються під час структурної релаксації. Виявлена сильна кореляція між цими подовженнями і стабілізацією енергії дірки робить зв’язок O-Ta важливою ціллю для розробки нових матеріалів.
Погляд у майбутнє дизайну каталізаторів
Цей прорив у розумінні природи діркових поляронів і їхніх взаємодій з NaTaO3 відкриває шлях до раціонального дизайну майбутніх матеріалів для фотокаталізу. Усвідомлення значення зв’язків O-Ta дозволяє інженерам надійніше налаштовувати перовскітні матері
