Китайские ученые разработали катализатор для эффективного производства водорода с помощью солнечного света

Группа ученых из Нинбоского института материаловедения и инженерии (NIMTE) Китайской академии наук представила инновационный фотоорганический катализатор, который значительно ускоряет процесс получения водорода из воды с использованием солнечной энергии. Водород является экологически чистым и высокоэффективным источником энергии, который может быть использован для различных нужд без вреда для природы.

Одной из основных проблем, с которой сталкиваются каталитические реакции, является короткое время жизни носителей заряда, таких как электроны и дырки, которые быстро рекомбинируют и не могут участвовать в реакции выделения водорода. Исследователи нашли способ увеличить время жизни этих носителей в 1000 раз, чтобы повысить их участие в процессе синтеза водорода.

Для достижения этого эффекта исследователи заменили обычные химические связи на более прочные кумариновые связи и использовали ковалентные органические каркасы (COF). В сравнении с традиционными COF, новые условия позволили сохранить разделенное состояние зарядов в 1000 раз дольше, что стало значительным достижением.

Проблема заключается в том, что в обычных COF гибкие соединения могут двигаться, что приводит к структурным изменениям и потерям энергии. Кумариновый фрагмент помогает подавлять эти движения, улучшая перенос зарядов на большие расстояния и увеличивая эффективность использования энергии видимого света.

Кроме того, для повышения скорости выделения водорода ученые применили наночастицы платины в качестве дополнительного катализатора. При освещении с длиной волны 440 нм новый материал показал скорость выделения водорода в 531 ммоль на грамм катализатора в час, а при освещении длинноволновым светом выше 420 нм скорость составила 166 ммоль/г·ч.

Данное исследование демонстрирует, что эффективность органических фотокатализаторов можно увеличивать не только за счет изменения их химического состава, но и путем управления динамикой зарядов внутри молекулярного каркаса, что в свою очередь может значительно повысить производство устойчивого "зеленого" водорода.