Аэрозольно-ассистированная химико‑парофазная депозиция кобальтовых ко-катализаторов на фотоэлектродах на основе ванадата висмута для систем солнечного расщепления воды

Превращение света и воды в чистое топливо

Представьте получение водородного топлива напрямую из солнечного света и воды с помощью твердой панели, похожей на солнечную батарею. В этом исследовании рассматривается новый способ формирования важного «вспомогательного» слоя на таких панелях, с использованием метода, который может быть масштабирован для покрытия больших площадей при низкой стоимости. Улучшая разделение электрических зарядов и долговечность в водной среде, работа приближает идею солнечно‑получаемого водорода к практической реализации.

Особая солнечная панель для расщепления воды

В основе устройства лежит светопоглощающий материал — ванадат висмута, который действует подобно солнечной панели, но оптимизирован для работы в воде, а не в проводах. Когда свет попадает на этот слой в контакте с водой, формируются положительные и отрицательные заряды, которые в принципе способны разделить молекулы воды на кислород и водород. На практике многие из этих зарядов быстро рекомбинируют и рассеиваются в виде тепла, а поверхность материала может постепенно растворяться. Чтобы помочь процессу, исследователи наносят тонкое покрытие «ко‑катализатора», которое стимулирует желаемую реакцию и защищает поверхность от повреждения.

Создание вспомогательного слоя распылением из воздуха

Традиционно кобальтовый ко‑катализатор, известный как кобальтфосфат, формируют в жидкой ванне при освещении и приложении электрического смещения — процесс, который тяжело равномерно применять на больших площадях. В этой работе команда сначала осаждает пленку кобальт-оксида с помощью аэрозольно-ассистированной химико‑парофазной депозиции: тонкое облако раствора, содержащего кобальт, переносится горячим воздухом над стеклом с покрытием из ванадата висмута и формирует равномерную кобальтовую оксидную пленку. Затем образец помещают в раствор фосфатсодержащей соли и в темноте прикладывают напряжение, превращая только наружную поверхность кобальт-оксида в кобальтфосфат. Этот двухступенчатый процесс «распылить, затем настроить» происходит при атмосферном давлении, что делает его более совместимым с промышленными покрытиями.

Как новое покрытие повышает эффективность

Исследователи сравнили свои распыленные и обработанные кобальтфосфатные пленки со стандартными пленками, полностью выращенными в жидкости при освещении. Хотя в новых пленках присутствует лишь очень тонкий фосфатобогщенный поверхностный слой, они лучше прилипают и более ровно покрывают подложку из ванадата висмута. Электрические испытания при имитации солнечного света показали, что новое покрытие более чем вдвое увеличивает эффективность преобразования солнца в водород для простых панелей из ванадата висмута — с 0,21% до 1,16%. Оно также сместило напряжение начала расщепления воды в сторону меньших значений и снизило сопротивление протеканию зарядов на поверхности. Измерения того, насколько эффективно падающий свет превращается в электрический ток, показывают, что распыленные пленки улучшают как разделение зарядов внутри панели, так и легкость, с которой эти заряды запускают реакцию образования кислорода на поверхности.

Стабильность и более сложные конструкции

Ключевой вопрос для любого электрода для расщепления воды — сможет ли он прослужить долго. Оголенные электроды из ванадата висмута быстро теряли большую часть своей работоспособности всего за четыре часа эксплуатации, поскольку их поверхность корродировала в контакте с электролитом. Панели с новым распыленным кобальтфосфатным покрытием сохранили около 90% начального тока за тот же период и в значительной мере восстановили свою выходную мощность после отдыха, что указывает на то, что покрытие одновременно ускоряет полезную реакцию и физически защищает подложку. Для сравнения, обычные кобальтфосфатные пленки образовывали трещины и разрывы и в конце концов полностью выходили из строя. Когда команда сочетала ванадат висмута с дополнительным светопоглощающим подслоем и затем нанесла кобальтовые покрытия, они получили еще более высокий ток и эффективность, показав, что метод можно интегрировать в более продвинутые многослойные конструкции.

Почему это важно для будущей чистой энергетики

Исследование демонстрирует, что масштабируемый метод «распылить и превратить» может создавать эффективные и долговечные кобальтовые вспомогательные слои для устройств солнечного расщепления воды. Хотя абсолютные КПД по-прежнему ниже требуемых для коммерционного производства водорода, подход обеспечивает значительный прирост производительности, хорошую среднесрочную стабильность и совместимость со сложными структурами электродов, при этом использует процессы при атмосферном давлении и подходит для нанесения на большие стеклянные листы. Для непрофессионального читателя основная мысль в том, что инженеры учатся не только создавать продвинутые материалы, но и производить их способом, который в будущем может заполнить крыши или солнечные фермы панелями, превращающими солнечный свет и воду непосредственно в чистое топливо.

Цитирование: Huang, M., Creasey, G., Lin, Z. et al. Aerosol assisted chemical vapor deposition of cobalt-based co-catalysts on bismuth vanadate-based photoelectrodes for solar water splitting systems. NPG Asia Mater 18, 8 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00641-y

Ключевые слова: солнечное расщепление воды, водородное топливо, фотоэлектроды, кобальтфосфатный катализатор, ванадат висмута