Вчені розробили органічний каркасний матеріал, що імітує фотосинтез

Вчені з Національного університету Сінгапуру (NUS) створили мікропористу ковалентну органічну структуру з щільними донорно-акцепторними ґратками та сконструйованими зв’язками для ефективного та чистого виробництва перекису водню (H₂O₂) за допомогою процесу фотосинтезу з водою та повітрям.

Традиційне промислове виробництво H₂O₂ за допомогою антрахінонового процесу з використанням водню та кисню є дуже енергоємним. Цей підхід використовує токсичні розчинники та дорогі каталізатори з благородних металів і створює значні відходи від побічних реакцій.

На ілюстрації показано нещодавно розроблений шестивалентний ковалентний органічний матеріал (COF), який імітує фотосинтез. (Ліворуч) Світло викликає перенесення електрона з донорної ділянки до акцепторної ділянки всередині матеріалу (позначено червоними стрілками). Цей процес передає чотири позитивні заряди до донорної ділянки, які потім використовуються для розщеплення молекул води на кисень (позначено зеленими стрілками). У акцепторному місці два електрони з’єднуються з киснем, утворюючи перекис водню (позначено синьою стрілкою). (Справоруч) Структура матеріалу забезпечує ефективний рух електронів (показано жовтим), позитивних зарядів (показано синім), води та кисню в одному шарі. Цей матеріал здатний перетворювати світлову енергію в хімічну подібно до природного фотосинтезу. Авторство: Національний університет Сінгапуру

Навпаки, фотокаталітичне виробництво H₂O₂ з кисню та води пропонує енергоефективний, м’який і чистий шлях. Найважливіше те, що він усуває загальні недоліки існуючих фотокаталітичних систем, такі як низька активність, інтенсивне використання додаткових жертовних спиртових донорів і необхідність введення чистого кисню.

Прорив дослідників NUS

Дослідницька група під керівництвом професора Цзяна Дунліна з кафедри хімії NUS розробила новий тип фотокаталізатора для ефективного штучного фотосинтезу H₂O₂ з води та повітря.

Дослідники сконструювали шестивалентні ковалентні органічні каркаси (COF), в яких скелет розроблений як донорно-акцепторні π-колонки для високошвидкісного фотоіндукованого генерування заряду та каталітичних активних центрів. Паралельно, пори розроблені з гідравлічно чутливими тригональними мікропористими каналами для негайної доставки реагентів води та кисню.

Як наслідок, ці шестивалентні COF виробляють H₂O₂ спонтанно та ефективно з води та атмосферного повітря під впливом видимого світла як у періодичному, так і в проточному реакторах. У лабораторних умовах COF демонструють квантову ефективність 17,5 відсотка у видимому світлі при 420 нм у реакторах періодичної дії. Цю систему можна розробити для створення поверхонь, що самоочищаються, і для дезінфекції.

Результати дослідження нещодавно були опубліковані в журналі Nature Catalysis.

Професор Цзян сказав: «У цій роботі ми успішно вирішили ключову та загальну проблему фотокаталізаторів, електрокаталізаторів і гетерогенних каталізаторів, яка полягає в ефективному забезпеченні зарядами та масою каталітичних центрів. Наша зосередженість на точному структурному дизайні на атомному рівні для дослідження як скелетів, так і пор COF привела до створення системи штучного фотосинтезу для виробництва H₂O₂, досягнувши безпрецедентної фотокаталітичної ефективності».