Новый материал для производства солнечного водорода удерживает заряд в 1000 раз дольше

Материал на основе ковалентного органического каркаса (COF) с кумариновыми связями, разработанный исследователями Института технологий и инженерии материалов Нинбо (NIMTE) Китайской академии наук (CAS), открыл путь к более быстрому расщеплению воды для получения водорода с использованием солнечного света в качестве источника энергии.

В таких условиях водород имеет преимущество перед возобновляемой энергией, поскольку он может сгорать подобно углеродосодержательным видам топлива, образуя в качестве побочного продукта только воду и выделяя большое количество энергии. В то же время производство водорода может быть углеродоемким, поэтому исследователи ищут более эффективные подходы. Один из них заключается в использовании солнечного света для расщепления молекул воды на водород и кислород — процесса, который в технической терминологии называется фотокаталитическим расщеплением воды.

Использование фотокатализаторов COF

Для фотокаталитических реакций учёные обычно используют фотоорганический катализатор — соединение на основе углерода, которое способствует поглощению видимого или ультрафиолетового света, переводит электроны в возбужденное состояние и способствует производству водорода, что потенциально может решить энергетический кризис, с которым сталкивается мир.

В обычных COF гибкие связи могут подвергаться вращению вне плоскости, что усиливает рассеивание энергии. Это также является причиной снижения эффективности каталитического процесса. Поэтому исследователи из NIMTE совместно с коллегами из Технического института физики и химии CAS внедрили жесткую и плоскую кумариновую связь в полностью сопряженный COF.

В 1000 раз более длительный срок службы заряда

По сравнению с обычными аминными и виниловыми связями кумариновая связь продемонстрировала более высокую конформационную жесткость и подавила структурные колебания. Она также способствовала делокализации π-электронов, что обеспечивает перенос на большие расстояния носителей заряда и сужает ширину запрещенной зоны. Исследователи обнаружили, что COF с кумариновыми связями обеспечивал улучшенное разделение заряда: состояние разделенного заряда сохранялось в 1000 раз дольше, чем у аналога с именными связями.

Когда в качестве катализатора использовались наночастицы платины (Pt), фотогенерированные электроны из COF передавались на Pt примерно за 407 пикосекунд, способствуя производству водорода. При облучении светом с длиной волны 440 нм скорость выделения водорода из COF с кумариновыми связями составляла 531 ммоль г⁻¹ ч⁻¹, а квантовый выход достиг 37,95 % при длине волны 405 нм.

При видимом свете с длиной волны свыше 420 нм достигнута скорость выделения водорода составляла 166 ммоль г⁻¹ ч⁻¹, что свидетельствует о потенциале производства водорода с помощью солнечной энергии. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Synthesis.

Источник: Interesting Engineering