Как свет превращает воду в водород? Открытие химиков из Орегона

Производство «зелёного» водорода обходится примерно в 5 долларов за килограмм. Это более чем в три раза дороже традиционного топлива — его получают из природного газа примерно за 1,5 доллара. В Университете штата Орегон представили материал, способный сократить этот разрыв. Новый фотокатализатор BVR-19 расщепляет воду под действием света и обходится без дорогих металлов. Подробности работы — в релизе ScienceDaily.

Почему водород стоит дорого

Катализатор — вещество, которое ускоряет реакцию, но само в ней не расходуется. Фотокатализатор включается светом: после поглощения фотона он переходит в возбуждённое состояние и передаёт энергию молекулам воды.

Водород сегодня применяют в топливных элементах, производстве аммиака, переработке металлов и выпуске пластмасс. Список сфер растёт, поэтому важна цена.

• топливные элементы на транспорте и в стационарной энергетике;
• аммиак для удобрений и химической промышленности;
• металлургия и металлообработка;
• производство полимеров.

Основной промышленный способ получения газа — метан-паровой риформинг. Природный газ нагревают с паром, на выходе образуются водород и углекислый газ. Метод дёшев, но оставляет заметный углеродный след.

Электролиз воды чище, однако требует электричества. Если энергию дают угольные станции, экологичность электролиза сомнительна. Если возобновляемые источники — растёт цена.

Солнечный свет может приводить реакцию в действие напрямую, минуя стадию электричества.

Что такое металлоорганические каркасы

BVR-19 принадлежит к классу металлоорганических каркасов, которые часто называют MOF. Это кристаллические пористые структуры из ионов металлов и органических молекул-«линкеров». Меняя эти элементы, учёные подстраивают размер пор и свойства материала.

Теоретически возможно огромное количество таких каркасов. Сейчас синтезировано почти 100 000 вариантов, ещё около полумиллиона структур предсказано на компьютере. Для поиска фотокатализаторов это почти бесконечная площадка.

Исследователи сосредоточились на не самом очевидном решении: органической части каркаса.

Сера берёт на себя главную работу

В BVR-19 есть дисульфидная связь — два атома серы, соединённые вместе. Под действием света эта связь временно рвётся, и образуются реакционноспособные соединения серы. Они захватывают фотоны и переносят электроны туда, где образуется водород.

По словам руководителя проекта Кириакоса Стилиану, основную работу выполняет именно органическая часть.

Вместо того чтобы полагаться в основном на атомы металлов, наш материал использует серосодержащие органические блоки для захвата световой энергии и переноса электронов.

Такой механизм позволяет не добавлять в систему дорогой металлический катализатор. Он же упрощает конструкцию будущих реакторов.

Плюс BVR-19 легко производить. Материал самопроизвольно собирается в водном растворе при комнатной температуре — не нужны высокие температуры и сложное оборудование. Это снижает затраты энергии на синтез.

Новые правила дизайна для фотокатализаторов

Авторы не ограничились одним материалом. Они меняли металл в структуре, сохраняя остальную часть почти без изменений. Сравнение вариантов показало, почему одни версии каркаса работают заметно лучше других.

Эти закономерности можно использовать как «чертёж» для будущих материалов. Вместо перебора тысяч случайных структур исследователи смогут заранее выбирать комбинации с высокой активностью.

В работе участвовали сотрудники лаборатории MaD Lab, которой руководит Стилиану, и несколько научных групп Университета штата Орегон. Проект поддержали Murdock Charitable Trust, Национальный научный фонд и колледж естественных наук университета.

Пока BVR-19 существует в лабораторных условиях. Главный вопрос — устойчивость дисульфидной связи при длительной работе. Выдержит ли она тысячи циклов облучения и сохранит ли скорость реакции? Если да, солнечные установки для водорода перестанут быть экзотикой.