Новий матеріал для виробництва сонячного водню утримує заряд у 1000 разів довше

Матеріал на основі ковалентного органічного каркаса (COF) із кумариновими зв’язками, розроблений дослідниками Інституту технологій та інженерії матеріалів Нінбо (NIMTE) Китайської академії наук (CAS), відкрив шлях до швидшого розщеплення води для отримання водню з використанням сонячного світла як джерела енергії.

За таких обставин водень має перевагу над відновлюваною енергією, оскільки він може згоряти подібно до багатих на вуглець видів палива, утворюючи лише воду як побічний продукт і вивільняючи велику кількість енергії. Водночас виробництво водню може бути вуглецево-ємним, тому дослідники шукають кращі підходи. Один із них полягає у використанні сонячного світла для розщеплення молекул води на водень і кисень — процесу, який технічно називають фотокаталітичним розщепленням води.

Використання фотокаталізаторів COF

Для фотокаталітичних реакцій вчені зазвичай використовують фотоорганічний каталізатор — сполуку на основі вуглецю, яка сприяє поглинанню видимого або ультрафіолетового світла, переводить електрони у збуджений стан і допомагає у виробництві водню, що потенційно може вирішити енергетичну кризу, з якою стикається світ.

У звичайних COF гнучкі зв’язки можуть зазнавати обертання поза площиною, що посилює розсіювання енергії. Це також є причиною зниження ефективності каталітичного процесу. Тому дослідники з NIMTE разом із колегами з Технічного інституту фізики та хімії CAS впровадили жорсткий і плоский кумариновий зв’язок у повністю спряжений COF.

У 1000 разів довший час життя заряду

Порівняно зі звичайними амінними та вініловими зв’язками кумариновий зв’язок продемонстрував вищу конформаційну жорсткість і придушив структурні коливання. Він також сприяв делокалізації π-електронів, що забезпечує далеке перенесення носіїв заряду та звужує ширину забороненої зони. Дослідники виявили, що COF із кумариновими зв’язками забезпечив поліпшене розділення заряду: стан розділеного заряду зберігався у 1000 разів довше, ніж у аналога з імінними зв’язками.

Коли каталізатором використовували наночастинки платини (Pt), фотогенеровані електрони з COF передавалися на Pt приблизно за 407 пікосекунд, сприяючи виробництву водню. За опромінення світлом із довжиною хвилі 440 нм швидкість виділення водню з COF із кумариновими зв’язками становила 531 ммоль г⁻¹ год⁻¹, а квантовий вихід досяг 37,95% за довжини хвилі 405 нм.

За видимого світла з довжиною хвилі понад 420 нм досягнута швидкість виділення водню становила 166 ммоль г⁻¹ год⁻¹, що демонструє потенціал виробництва водню за допомогою сонячної енергії. Результати дослідження опубліковано в журналі Nature Synthesis.

Джерело: Interesting Engineering