Відкриття китайських вчених кратно прискорить виробництво водню за допомогою сонячного світла

Дослідники Нінбоського інституту матеріалознавства та інженерії (NIMTE) Китайської академії наук розробили проривний фотоорганічний каталізатор, який значно прискорює виробництво водню з звичайної води за допомогою сонячного світла. Водень — це енергоємне та водночас екологічно чисте паливо, яке здатне нагрівати та живити енергією що завгодно без шкоди для навколишнього середовища.

Джерело зображення: ШІ-генерація Grok/3DNews

Великою проблемою всіх каталізаторних реакцій з розщеплення води на кисень і водень під впливом сонячних променів залишається короткий час життя носіїв заряду — електронів і дірок, які швидко рекомбінують і вже не беруть участі в подальшій реакції виробництва водню. Вчені з Китаю знайшли спосіб в 1000 разів збільшити час життя носіїв заряду в розчині, щоб якомога більше з них змогло взяти участь у реакції синтезу водню.

Звичайні хімічні зв'язки виявилися недостатньо міцними для тривалої активної реакції, і дослідники замінили їх на більш стійкі кумаринові зв'язки з паралельним використанням так званих ковалентних органічних каркасів (COF). У порівнянні з звичайним COF з іміновими зв'язками, розділене стан зарядів в нових умовах зберігалося приблизно в 1000 разів довше, що можна вважати справжнім проривом.

Справа в тому, що в звичайних COF гнучкі хімічні сполуки можуть здійснювати обертальні рухи поза площиною, викликаючи структурні флуктуації та додаткові втрати енергії. Кумариновий фрагмент пригнічує такі рухи. Це полегшує перенесення зарядів на великі відстані всередині органічного каркаса і дозволяє зменшити ширину забороненої зони, підвищуючи ефективність використання енергії видимого світла.

Також для прискорення реакції виділення водню дослідники використовували наночастинки платини в якості додаткового каталізатора. При освітленні з довжиною хвилі 440 нм новий матеріал продемонстрував швидкість виділення водню 531 ммоль на грам каталізатора за годину. При освітленні видимим світлом з довжиною хвилі понад 420 нм швидкість склала 166 ммоль/г·год.

Робота показує, що ефективність органічних фотокаталізаторів можна підвищувати не лише зміною їх хімічного складу, але й цілеспрямованим управлінням динамікою зарядів всередині молекулярного каркаса. У даному випадку більш тривале розділення електронів і дірок збільшує ймовірність їх участі в корисній хімічній реакції до рекомбінації, що можна успішно використовувати для збільшення виробництва по-справжньому «зеленого» водню.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки