Учёные Университета штата Орегон разработали новый класс материалов, способных с помощью света получать водород из воды. Такой подход может стать более экологичным способом превращения солнечной энергии в топливо. О работе сообщает ScienceDaily.
Исследованием руководил Кириакос Стилиану из Колледжа наук Университета штата Орегон. Его команда создала фотокатализатор, который быстро и эффективно вырабатывает водород. Этот газ используют в топливных элементах автомобилей, а также при производстве аммиака, переработке металлов и изготовлении пластмасс.
Материал относится к металлоорганическим каркасам — кристаллическим пористым соединениям, структуру которых можно настраивать. Они состоят из положительно заряженных ионов металлов и органических молекул-связок. По словам Стилиану, теоретически возможно создать миллионы разновидностей таких соединений: химики уже синтезировали почти 100 тысяч, а свойства ещё примерно 500 тысяч были предсказаны.
В эксперименте исследователи изучали металлоорганический каркас BVR-19. В нём присутствует необычная связь между атомами серы, которая под воздействием света временно разрывается и образует высокореактивные серосодержащие частицы. «Органический компонент выполняет основную работу, — сказал Стилиану. — Вместо того чтобы в первую очередь полагаться на атомы металла, наш материал использует органические структурные элементы, содержащие серу, чтобы захватывать энергию света и перемещать электроны туда, где они нужны для получения водорода. Это другой подход к проектированию подобных материалов».
Фотокатализатор активируется светом: после его поглощения материал переходит в более энергетическое состояние и ускоряет химическую реакцию, не расходуясь в процессе. BVR-19 не требует дополнительного дорогостоящего металлического катализатора и самопроизвольно формируется в водном растворе при комнатной температуре, что снижает энергозатраты на его производство. Результаты опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Получение водорода расщеплением воды может быть экологичнее распространённого метода паровой конверсии метана, при котором выделяется углекислый газ. Электрокаталитические способы зависят от источника электричества: для устойчивости и экономической конкурентоспособности им нужна недорогая энергия из возобновляемых источников. Сейчас водород, произведённый из природного газа, стоит около 1,50 доллара за килограмм, а «зелёный» водород — примерно 5 долларов. «Наша работа даёт основу для создания более совершенных материалов, способных снизить стоимость зелёного водорода», — отметил Стилиану, возглавляющий лабораторию поиска материалов MaD. По его словам, изменение металла при сохранении остальной структуры позволило понять, почему одни варианты металлоорганических каркасов работают эффективнее других, и сформулировать новые правила проектирования материалов для производства солнечного топлива.