Исследователи из Университета штата Орегон создали новый класс материалов, способных использовать свет для получения водорода из воды. Такой подход потенциально может предложить более чистый способ превращения солнечной энергии в топливо.
Команда под руководством Кириакоса Стилиану разработала фотокатализатор, который позволяет получать водород быстро и эффективно.
Катализатор — это вещество, ускоряющее химическую реакцию и при этом не расходующееся в ней. Фотокатализатор действует похожим образом, но активируется светом: после его поглощения материал переходит в более высокоэнергетическое состояние и использует эту энергию для запуска химических реакций.
Исследователи сосредоточились на металлоорганических каркасах — кристаллических пористых материалах, структуру которых можно очень точно настраивать.
Они состоят из положительно заряженных ионов металлов, окружённых органическими молекулами-связками. Благодаря множеству крошечных пор и возможности менять структуру учёные могут подбирать свойства таких материалов под конкретные задачи.
Теоретически могут существовать миллионы различных металлоорганических каркасов. Почти 100 тысяч из них уже удалось синтезировать, а свойства ещё примерно полумиллиона структур были предсказаны.
В новой работе учёные изучили материал под названием БВР-19. Его особенность — необычная связь между атомами серы. Под действием света эта связь временно разрывается, в результате чего появляются очень химически активные формы серы.
По словам Стилиану, именно органическая часть материала выполняет основную работу. Вместо того чтобы в основном полагаться на атомы металла, система использует содержащие серу органические компоненты для поглощения света и переноса электронов туда, где они необходимы для образования водорода.
Такой принцип позволяет отказаться от дополнительного дорогостоящего металлического катализатора. В будущем это может упростить создание систем, производящих водород при помощи света.
Есть у материала и ещё одно преимущество: БВР-19 самопроизвольно формируется в водном растворе при комнатной температуре. Благодаря этому для его производства требуется меньше энергии.
Получение водорода путём расщепления воды может быть чище, чем основной промышленный метод, который сейчас основан на использовании природного газа.
При традиционном производстве водорода метан взаимодействует с водяным паром, а одним из последствий процесса становятся выбросы углекислого газа.
Водород можно получать и из воды при помощи электричества. Однако экологичность такого способа сильно зависит от того, откуда взята сама электроэнергия. Чтобы технология оставалась одновременно устойчивой и экономически конкурентоспособной, необходима дешёвая возобновляемая энергия.
Сейчас водород, полученный из природного газа, обходится примерно в 1,5 доллара за килограмм, тогда как стоимость «зелёного» водорода составляет около 5 долларов за килограмм.
Авторы исследования считают, что их работа может помочь создавать более эффективные материалы и в перспективе снизить эту разницу.
Особенно важным оказалось то, что учёные меняли металл в структуре материала, практически не затрагивая остальные его компоненты. Это позволило понять, почему одни варианты металлоорганического каркаса работают значительно лучше других.
По словам Стилиану, результаты дают новые правила для проектирования материалов, предназначенных для производства топлива с использованием солнечного света, и могут помочь приблизиться к более дешёвому «зелёному» водороду.
