Ультрашвидка стабілізація позитивних зарядів у каталізаторі сонячного пального
Квантові симуляції показали шлях до нових фотокаталізаторів для сонячного розщеплення води
Завдяки прогресивним квантово-хімічним молекулярним динамічним симуляціям, дослідники змогли зафіксувати ультра швидке утворення зарядостабілізуючих поларонів у NaTaO3 — фотокаталізаторі, що служить еталонним прикладом для сонячного розщеплення води. Виявилося, що позитивні заряди, або полярони дірок, стабілізуються значно швидше і сильніше, ніж їх електронні аналоги. Це важливе відкриття надає перспективи для розробки нових фотокаталізаторів.
Симуляції показали, що стабілізація поларонів дірок відбувається на рівні близько 70 міліелектронвольт всього за 50 фемтосекунд. Зазначені зміни забезпечуються завдяки подовженню зв’язків кисень-танал. На відміну від цього, електрони залишаються делокалізованими і демонструють незначну стабілізацію. Це пояснює, чому саме дірки є домінантними в каталізі реакцій у NaTaO3.
Новий погляд на динаміку фотокаталізаторів
Команда дослідників подолала обмеження традиційних експериментальних методів, використовуючи молекулярну динаміку Борна-Оппенгеймера. Цей метод, що базується на прискореному щільнісному функціональному суворому зв’язуванні, дозволяє аналізувати динаміку носіїв заряду у масштабах наносекунд у моделей NaTaO3, що включають 256 формульних одиниць, з розділенням у одну фемтосекунду.
Дослідники виявили двоступеневу схему стабілізації: дірка локалізується біля попередньо подовжених O-Ta зв’язків, які потім розтягуються під час структурної релаксації. Сильна кореляція між подовженням зв’язків і стабілізацією енергії дірки акцентує зв’язок O-Ta як критичне місце для покращення дизайну майбутніх фотокаталізаторів.
Перспективи для нових матеріалів
Згідно з цими знахідками, одержані дані узгоджуються з попередніми експериментами, які свідчать про затримку носіїв. Це відкриває перспективи для раціонального проектування нових каталітичних систем. Зосередивши увагу на хімії сайту B перовскітів, вже сьогодні можна проектувати матеріали, що здатні максимально точно налаштовувати взаємодії O-Ta. Це, у свою чергу, продовжить тривалість життя дірок і значно підвищить ефективність виробництва сонячного водню.
