Дослідники Китайської академії наук розробили матеріал на основі ковалентного органічного каркаса (COF) із кумариновими зв’язками, який істотно прискорює розщеплення води під впливом сонячного світла. Новий підхід відкриває перспективи для виробництва сонячного водню як чистого джерела енергії.
Чому світу потрібен сонячний водень
У контексті переходу від викопного палива відновлювані джерела енергії, хоча й розвиваються, не можуть повністю замінити вугілля та газ у секторах, які потребують високої щільності енергії. Водень має суттєву перевагу: він горить подібно до вуглецевих видів палива, проте утворює лише воду як побічний продукт і вивільняє значну кількість енергії.
Проблема полягає у тому, що традиційне виробництво водню залишається вуглецево-ємним процесом. Тому вчені зосередили увагу на фотокаталітичному розщепленні води — методиці, яка використовує сонячне світло для розщеплення молекул води на водень і кисень.
Як працює новий матеріал
Класичні фотоорганічні каталізатори на основі вуглецю сприяють поглинанню світла та переводять електрони у збуджений стан, однак електрони та дірки, що утворюються при цьому, швидко рекомбінують. Це суттєво знижує ефективність реакції.
Дослідники з Інституту технологій та інженерії матеріалів Нінбо (NIMTE) вирішили проблему, впровадивши жорсткий і плоский кумариновий зв’язок у повністю спряжений COF. На відміну від гнучких зв’язків у звичайних матеріалах, кумариновий зв’язок придушує структурні коливання та сприяє делокалізації π-електронів.
- Матеріал сонячного водню демонструє поліпшене розділення заряду;
- Стан розділеного заряду зберігається у 1000 разів довше, ніж у аналогів з імінними зв’язками;
- Фотогенеровані електрони передаються на наночастинки платини приблизно за 407 пікосекунд.
Вражаючі результати тестування
За опромінення світлом з довжиною хвилі 440 нм швидкість виділення водню з нового матеріалу становила 531 ммоль г⁻¹ год⁻¹ при квантовому виході 37,95% за довжини хвилі 405 нм. При видимому світлі з довжиною хвилі понад 420 нм швидкість виділення водню досягла 166 ммоль г⁻¹ год⁻¹, що підтверджує потенціал для практичного застосування сонячного водню.
Професор NIMTE Чжан Тао пояснив: «Ця робота пропонує просту та ефективну стратегію налаштування динаміки заряду в спряжених COF за допомогою інженерії зв’язків. Вона відкриває нові можливості для проєктування та застосування високоефективних органічних фотокаталізаторів для виробництва сонячного водню».
Результати дослідження опубліковано в престижному журналі Nature Synthesis. Розроблений матеріал для сонячного водню представляє суттєвий крок вперед у створенні практичних технологій чистої енергії, здатних мінімізувати залежність від викопного палива.
