Ультрашвидка стабілізація позитивних зарядів у каталізаторі для сонячного пального

Ультрашвидке формування поляронів: шлях до ефективного сонячного водню

Вчені зробили вагомий крок уперед у галузі альтернативної енергетики, використовуючи вдосконалені квантово-хімічні молекулярні динамічні симуляції. Ці симуляції дозволили впіймати ультрашвидке формування зарядостабілізуючих поляронів у NaTaO3, еталонному фотокаталізаторі для розщеплення води за допомогою сонячної енергії. Дослідження демонструє перевагу діркових поляронів у стабілізації, які формуються значно швидше, ніж електрони. Це надає критичні інсайти для удосконалення каталізаторів сонячних палив нового покоління.

Роль діркових поляронів у NaTaO3

Симуляції показали, що стабілізація діркових поляронів відбувається всього за 50 фемтосекунд, досягаючи енергії стабілізації близько 70 meV. Подібний швидкий процес обумовлений подовженням зв’язків оксиген-тантал (O-Ta). На відміну від електронів, що залишаються делокалізованими, дірки стабілізуються, що пояснює їхню домінуючу роль у каталізі. Цей відкриття вказує на критичність O-Ta зв’язку для розробки ефективних каталізаторів.

Інноваційний підхід до досліджень

Завдяки використанню молекулярної динаміки Борна-Оппенгеймера з прискореним підходом до щільнісно-функціонального зв’язування, дослідники подолали відомі обмеження. Так, було створено атомістичну візуалізацію динаміки носіїв в реальному часі в нано-масштабній моделі NaTaO3 з роздільною здатністю 1 фемтосекунда. Це дозволило детально вивчити взаємодії на мікрорівні, що веде до розуміння процесів стабілізації поляронів.

Двоступенева стабілізація: нові горизонти

Згідно з дослідниками, стабілізація поляронів у NaTaO3 відбувається у два етапи. Спочатку дірка локалізується поблизу вже подовжених зв’язків O-Ta, які згодом ще більше розтягуються під час структурної релаксації. Сильна кореляція між цими процесами відзначає важливість зв’язку O-Ta для майбутнього дизайну каталізаторів.

Висновки цього дослідження корелюють з попередніми експериментальними спостереженнями і прокладають шлях до раціонального дизайну нових матеріалів. Орієнтація на хімію B-сайту перовскітів дозволяє тюнінг взаємодій O-Ta і підвищення ефективності виробництва водню з сонячної енергії. Відтак, проектування матеріалів з покращеними характеристиками стабілізації дірок може стати ключем до підвищення ефективності каталітичних реакцій у сонячних паливних елементах.