Latvijas Universitātes (LU) Cietvielu fizikas institūta (CFI) zinātnieki, izmantojot liela mēroga datormodelēšanu, prognozējuši jaunu perovskītu nanodaļiņu sastāvu efektīvai ūdeņraža ražošanai. Pētījums atzīts par vienu nozīmīgākajiem zinātnes sasniegumiem 2023. gadā.
Kopš rūpnieciskās revolūcijas sākuma, globālais pieprasījums pēc enerģijas ir pieaudzis 30 reizes, un fosilais kurināmais veido vairāk nekā 80 % no izmantojamās enerģijas. Fosilā kurināmā spēkstaciju dēļ pasaulē CO2 ražošana ir sasniegusi 36 gigatonnas gadā, radot būtisku ietekmi gan uz vidi, gan uz cilvēku veselību.
“Tā kā globālā sasilšana kļūst par vienu no šī gadsimta aktuālākajām problēmām, ir nepieciešamas efektīvas tīras enerģijas ražošanas alternatīvas,” norāda pētījuma autori Jevgēņijs Kotomins un Guntars Zvejnieks.
Ūdeņradis ir īpaši daudzsološs primārās enerģijas nesējs tā pieejamības un augstā enerģijas blīvuma dēļ. Fotokatalītiskā ūdens šķelšana, kas izmanto saules enerģiju, ir piesaistījusi ievērojamu uzmanību. Pētījumi ir parādījuši, ka eksistē vairāki materiāli uz metāla oksīda bāzes, piemēram, TiO2, MoO3 un perovskīti (SrTiO3) ar ievērojamu potenciālu fotokatalītiskā ūdens šķelšanas jomā, pateicoties to augstajai stabilitātei, izturībai pret fotokoroziju un regulējamai struktūrai, kas ļauj precīzi mainīt virsmas morfoloģiju un katalizatora aktīvās vietas. Tomēr, neskatoties uz ūdens sadalīšanas reakcijai atbilstošām aizliegtās zonas malu pozīcijām, daudziem no šiem metālu oksīdiem ir platas aizliegtās zonas, un tāpēc tie galvenokārt absorbē saules spektru tikai ultravioletajā reģionā. Tipiski piemēri ir metāla titanāti, tostarp TiO2 un SrTiO3, ar aizliegtās zonas platumu aptuveni 3.2 eV. Turklāt fotokatalītiskā efektivitāte samazinās, pateicoties fotoinducēto elektronu caurumu pāru ātrai rekombinācijai. Ir izstrādātas vairākas stratēģijas, pirmkārt, lai paplašinātu saules gaismas izmantošanu redzamajā diapazonā, otrkārt, lai uzlabotu lādiņa nesēju atdalīšanu.
Izmantojot jaunākās kvantu ķīmijas metodes un superdatorus, LU CFI teorētiķu grupa LZA akadēmiķis Jevgēņijs Kotomins, Dr. rer. nat. Jurijs Mastrikovs, Dr. phys. Leonīds Rusevičs, doktorants Maksims Sokolovs, Dr. rer. nat. Guntars Zvejnieks noteica optimālās ūdens molekulu sadalīšanās pozīcijas uz dažādām SrTiO3 perovskītu slīpajām virsmām (att.1), kā arī pētīja ūdeņraža veidošanās kinētiku un termodinamiku. Tika paredzēts, ka N un Al piemaisījumi nanodaļiņās varētu ievērojami uzlabot ūdeņraža veidošanos. Atomistiskie aprēķini liecina, ka šie piemaisījumi aiztur caurumus un līdz ar to novērš elektronu-caurumu rekombināciju.
Attēlā: Ūdens molekulas uz SrTiO3 nanodaļiņas fasešu virsmas (datormodelēšanas rezultāti)
“Modelēšanas prognozes apstiprināja M-ERA-NET starptautiskā projekta partneri: ūdeņraža ražošanas pieaugums uz Slovēnijā audzētajām nanodaļiņām tika demonstrēts Taivānas Nacionālajā universitātē (att.2). Tādējādi, starptautiskās sadarbības rezultātā tika izstrādāti jauni efektīvi nanomateriāli, kuriem ir liels industriālais potenciāls,” norāda J. Kotomins un G. Zvejnieks.
Rezultāti tika publicēti augsta ranga Open Access starptautiskajos žurnālos.
Attēlā: Ūdeņraža ražošanas pieaugums Al dopētās SrTiO3 nanodaļiņās
Šie pētījumi tika veikti trīs Eiropas projektu ietvaros: FLAG-ERA JTC projekts To2Dox (Pārvietojamie divdimensionālie slāņi no pārejas metālu oksīdiem ar stipru elektronu korelāciju), EC COST Action OC-2018-2-23544 (Skaitļošanas materiālu zinātne efektīvai ūdens šķelšanai ar nanokristāliem), kā arī M-ERA-NET projekts SunToChem (Perovskīta fotokatalizatori ūdeņraža iegūšanai no saules gaismas).
Latvijas Zinātņu akadēmijas konkursā par nozīmīgākajiem zinātnes sasniegumiem Latvijā 2023. gadā kopumā tika vērtēti 49 pieteikumi: 17 – dabaszinātnēs, medicīnas un veselības zinātnēs, 14 – materiālzinātnēs un inženiertehniskajās zinātnēs, 14 – humanitārajās, mākslas un sociālajās zinātnēs un 4 – lauksaimniecības un mežzinātnēs. Desmit darbus, kas pārstāv galvenos zinātņu virzienus, LZA nosaukusi par konkursa uzvarētājiem, starp tiem arī Latvijas Universitātes zinātnieku pētījumi.
Rakstu sagatavoja LU Komunikācijas departaments
