Ученые из Национального института стандартов и технологии (NIST) США и Северо-Восточного Университета (Northeastern University) совершенно случайно сделали серьезное открытие. Они обнаружили, что остатки химических процессов изготовления матриц диоксида титана – остатки, на которые прежде не обращали никакого внимания – играют важную роль в повышении рабочих характеристик нанотрубок в фотоэлементах, производящих водород из воды.

Исследования показывают, что путем контроля процесса образования депозитов калия на поверхности нанотрубок можно получить значительную экономию энергии. Основные результаты опубликованы: C. Richter, C. Jaye, E. Panaitescu, D.A. Fischer, L.H. Lewis, R.J. Willey and L. Menon. Effect of potassium adsorption on the photochemical properties of titania nanotube arrays. J. Mater. Chem., published online as an Advanced Article, March 27, 2009. DOI: 10.1039/b822501j.

Диоксид титана (TiO₂) – универсальное химическое соединение, известное также как белый пигмент, используется в многочисленных приложениях и может быть обнаружен практически во всех областях повседневной жизни, начиная от зубной пасты и солнцезащитных кремов и заканчивая красками. Тридцать пять лет назад японские ученые продемонстрировали, что диоксид титатна может функционировать как фотокатализатор в процессах электролитического получения водорода из воды на солнечном свете. В последние годы исследователи из разных стран тестируют многочисленные способы оптимизации этого процесса с целью создания дешевых коммерческих экологически чистых технологий.

Поднять производительность катализатора можно путем увеличения площади его поверхности. Группа Северо-Восточного Университета сфокусировала свои исследования на изготовлении плотно упакованных структур из диоксида титана с большим соотношением площадь поверхности/объем. Вторая область исследований этой группы ученых – введение углерода в нанотрубки для повышения поглощательной способности системы в видимом диапазоне, поскольку чистый диоксид титана поглощает, в основном, в ультрафиолетовой области (большая часть ультрафиолета поглощается атомосферой).

В основном, исследования проводили на синхротроне NIST, рентгеновский излучатель которого может быть с высочайшей точностью отъюстирован для измерений химических связей специфических элеметов. Как говорят ученые, оборудование NIST обладает, по крайней мере, на порядок более высокой чувствительностью по сравнению с обычным лабораторным оборудованием, что позволяет детекитровать различные элементы в сверхмалых концентрациях. Во время исследования поведения атомов углерода ученые обратили внимание на спектральные данные, которые показывали, что нанотрубки диоксида титана имеют небольшие остаточные количества ионов калия, осевших на их поверхности. Поскольку ученые использовали соли калия в процессе изготовления нанотрубок, вывод был очевиден – ионы калия – остатки процесса изготовления. Это был, вообще говоря, первый случай, когда калий наблюдался на поверхности нанотрубок диоксида титана, во всех предыдущих случаях спектральное оборудование было недостаточно чувствительно для этого.

Сам по себе, этот результат был умеренно интересен, однако интерес к нему резко возрос, когда ученые сравнили эффективность нанотрубок, покрытых остаточным калием, с действием аналогичных структур, изготовленных без участия калия. Новые, калий содержащие, структуры для производства того же самого количества водорода требовали на треть меньших затрат электроэнергии. Ученые акцентировали свои усилия на этом побочном эффекте, поскольку стало очевидно, что даже столь мизерные количества остаточного калия дают существенный выигрыш в эффективности электролиза. Это тем более перспективно, как говорят исследователи, что калий часто присутствует в электролитических элементах в виде гидроксида калия.