Ученые Томского политеха разработали новый материал для оптоэлектроники и возобновляемой энергетики

Ученые группы TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий предложили новый метод обработки дисульфида молибдена (MoS2) — перспективного материала для катализа, оптоэлектроники и энергетики. Они облучили его мощным лазером, тем самым создав дефекты в многослойной структуре материала. Это позволяет осаждать серебряные частицы на поверхность дисульфида молибдена без использования дополнительных восстановителей и получать модифицированный материал с высокой каталитической активностью. В перспективе он может применяться для разработки высокопроизводительных 2D-полупроводников.

Исследование проводилось при поддержке программы Минобрнауки «Приоритет 2030». Результаты работы ученых опубликованы в Journal of Colloid and Interface Science (Q1; IF:9,965).

Использование солнечной энергии — одно из наиболее оптимальных решений в поиске альтернативных и недорогих возобновляемых источников энергии. Это связано с тем, что ее можно преобразовать с помощью фотокатализа и хранить в виде химических соединений для дальнейшего использования. Сегодня перед научным сообществом стоит задача, связанная с поиском материалов, обладающих наилучшей фотокаталитической активностью.  

Дисульфид молибдена представляет собой двумерный материал: его толщина намного меньше размера слоя. При этом он может поглощать свет в широком диапазоне солнечного спектра из-за малой ширины запрещенной зоны. Серебро (Ag), в свою очередь, является хорошим катализатором. Сочетание этих двух материалов обеспечивает синергетический эффект: MoS2 служит каталитической платформой, а Ag усиливает поглощение света и перенос электронов.

Ученые Томского политехнического университета разработали новый способ осаждения частиц серебра на поверхность многослойного дисульфида молибдена методом лазерного облучения. Они выяснили, что после погружения обработанного лазером дисульфида молибдена в нитрат серебра происходит восстановление частиц серебра на облученных областях MoS2.

«Обработка лазером создает дефекты в материале с помощью масштабируемого подхода. Они имеют более высокую химическую активность, чем стабильная кристаллическая структура, и позволяют восстановить наночастицы серебра без внешних стимулов, таких как фотоны или химические восстановители. Данный процесс не происходит для необлученного MoS2. Это упрощает технологию и увеличивает эффективность процесса. Для изучения фотокаталитической эффективности материала мы использовали модельную молекулу пара-нитротиофенола и наблюдали, что фотокаталитическая эффективность нашей MoS2/Ag наноструктуры близка к 100%, по сравнению с 35% для наночастиц серебра», — рассказывает инженер Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Чан Туан Хоанг.

В ходе экспериментов ученые исследовали механизм лазерного облучения MoS2 непрерывным лазером.

«Мы обнаружили, что процесс лазерной резки является фототермическим. Поэтому на локальную температуру, а значит, и на результат обработки сильно влияет выбор подложки. Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию светоиндуцированной модификации свойств MoS2 и открывают новый способ управления его химической активностью в контролируемой области.  Понимая механизмы процесса на микромасштабе, мы сможем повысить его эффективность и понять, как его масштабировать», — комментирует руководитель проекта, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Рауль Родригес.  

Политехники планируют более детально исследовать механизм лазерно-индуцированного фототермического нагрева и его влияния на свойства материалов. Также в планах ученых — изучить различные комбинации 2D-материалов и металлов при лазерной обработке и рассмотреть возможность применения данного метода в других каталитических процессах и отраслях.

Источник: «Научная Россия»