Исследователи из США использовали гидрогенирование для разупорядочения нанокристаллов диоксида титана, что позволило увеличить количество солнечной энергии, поглощаемой этими кристаллами. Есть надежда, что полученный ими черный TiO₂ может использоваться для получения дешевого водородного топлива.

Нанокристаллы TiO₂ являются хорошими полупроводниками, которые могут катализировать реакции, протекающие под действием солнечного света, например, расщепление воды. Однако, TiO₂ преимущественно поглощает в ультрафиолетовой области спектра, поэтому ученые предположили, что уменьшение размеров запрещенной энергетической зоны (энергия между граничными орбиталями) позволит оксиду титана поглощать свет в видимой и инфракрасной области спектра.

Рис. 1. Нанористаллы немодифицированного белого
и разупорядоченного черного TiO₂. (Рисунок из
Science, 2011, DOI: 10.1126/science.1200448).

Ранее исследователи изменяли размеры запрещенной энергетической зоны с помощью легирования TiO₂ атомами металлов или неметаллов или вводя в строение кристаллов TiO₂ незначительные дефекты. Однако, хотя такие подходы увеличивали количество поглощаемого видимого света образующимися после обработки грязно-коричневыми наночастицами TiO₂, они не поглощали в инфракрасном диапазоне.

Самюэль Мао (Samuel Mao) и Питер Ю (Peter Yu) из Университета Калифорнии (Беркли) для получения черной формы TiO₂ решили использовать гидрирование. Полученная исследователями черная форма оксида титана поглощает свет в УФ, ИК и видимой областях спектра. Было обнаружено, что процесс гидрирования создает неупорядоченные области в поверхностном слое нанокристалла. Теоретические оценки позволяли предположить, что водород не только внесет неупорядоченность в поверхность оксидов титана, но и может способствовать образованию комплексов, способных к поглощению в ближнем ИК.

Макс Лю (Max Lu), эксперт по функциональным материалам из Университета Квинсленда (Австралия) думает, что работа Мао и Ю представляет собой существенный прорыв в фотокаталитических процессах, ускоряющихся TiO₂. Подход, связанный с гидрированием, представляет собой новый и уникальный метод увеличения фотоактивности TiO₂ за счет поглощения света в широком диапазоне колебаний.

Исследователи продемонстрировали, что черная форма TiO₂ может катализировать фоторазложение органических молекул лучше, чем нормальный нанофазный TiO₂. Также была обнаружена способность новой модификации TiO₂ расщеплять воду на водород и кислород под действием солнечного света. Исследователи надеются, что высокая активность может привести к разработке более дешевого, экологически чистого и эффективного способа получения водорода.