Вчені створили матеріал, який може використовувати світло для виробництва водню з води. І найцікавіше — для цього йому не потрібен дорогий металевий каталізатор.
Дослідники з Oregon State University розробили новий фотокаталізатор, здатний під дією світла прискорювати реакцію розщеплення води та вивільняти водень.
Ідея проста: матеріал поглинає світло, переходить у більш енергетичний стан і використовує цю енергію, щоб запускати хімічну реакцію.
Усе тримається на незвичайній хімії
У центрі дослідження — матеріал під назвою BVR-19, який належить до класу металоорганічних каркасів, або MOF.
Ці матеріали мають крихітні пори та структуру, яку можна налаштовувати на молекулярному рівні. Теоретично існують мільйони можливих варіантів MOF, і вчені вже синтезували десятки тисяч із них. Але BVR-19 має особливість, яка й зробила його цікавим для виробництва водню.
У його структурі є незвичайний зв’язок між атомами сірки. Коли матеріал поглинає світло, цей зв’язок тимчасово руйнується, утворюючи дуже реактивні сірковмісні частинки.
Саме вони допомагають переміщувати електрони туди, де вони потрібні для утворення водню.
Без дорогого каталізатора
Зазвичай для таких реакцій можуть знадобитися додаткові каталізатори на основі дорогих металів. У випадку BVR-19 основну роботу виконує органічна частина самого матеріалу. Це важливо, адже потенційно дозволяє спростити конструкцію майбутніх систем для виробництва сонячного водню.
Є й інша цікава деталь: BVR-19 може самостійно формуватися у водному розчині за кімнатної температури. Тобто для виготовлення матеріалу не потрібні надзвичайно жорсткі умови або великі витрати енергії.
Чому водень тут особливо важливий
Водень використовують у паливних елементах, виробництві аміаку, очищенні металів та інших промислових процесах. Сьогодні значну його частину отримують із природного газу за допомогою парового риформінгу метану. Проблема в тому, що цей процес супроводжується викидами CO₂.
Інший варіант — розщеплювати воду за допомогою електрики. Але тоді екологічність водню значною мірою залежить від того, звідки береться електроенергія.
Саме тому виробництво водню безпосередньо за допомогою світла виглядає особливо привабливо: сонячну енергію можна потенційно перетворювати на хімічне паливо без проміжного етапу виробництва електрики.
До дешевого «зеленого» водню ще далеко
Втім, називати новий матеріал готовою технологією поки зарано. Дослідження показує перспективний принцип роботи та нові правила для створення ефективніших фотокаталізаторів. Попереду ще масштабування, перевірка стабільності матеріалу та оцінка того, наскільки ефективно він працюватиме за реальних умов.
Але саме підхід може виявитися важливішим за один конкретний матеріал.
Вчені фактично показали, що для виробництва водню за допомогою світла не обов’язково покладатися лише на дорогі металеві каталізатори — іноді ключ до реакції може бути захований у самій органічній структурі матеріалу.