Ученые нашли новый способ получить водород из воды с помощью света — без добавления дополнительного металла-помощника, который требуется многим подобным системам.
Большая часть нашего водорода по-прежнему производится из ископаемого топлива, а более чистые альтернативы остаются дорогими. Таким образом, новый материал решает одну из главных проблем в производстве солнечного водорода: как эффективно захватывать свет и перемещать электроны для высвобождения водорода из воды, не полагаясь на дополнительные дорогостоящие (или грязные) компоненты.
Почему учёным нужен водород из воды
Водород уже является основным промышленным товаром.
Компании используют его для производства аммиака для удобрений, очистки топлива и производства химикатов. По данным Международного энергетического агентства, к 2025 году глобальная потребность в водороде превысит 100 миллионов тонн. Но водород с низким уровнем выбросов по-прежнему представляет собой небольшую часть рынка.
Проблема в том, как производится водород.
Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Но здесь, на Земле, эти атомы обычно связаны с чем-то другим. В воде два атома водорода связаны с одним атомом кислорода. Производство газообразного водорода означает предоставление достаточного количества энергии и правильного химического состава, чтобы разделить эти атомы и перегруппировать их в молекулы H₂.
С химической точки зрения это непростая задача.
Сегодня большая часть водорода в мире поступает из ископаемого топлива. Вместо этого более чистый водород можно производить с помощью электролизера — устройства, которое использует электричество для расщепления молекул воды. Если бы эта электроэнергия поступала из возобновляемых источников, выбросы могли бы резко сократиться.
Но водород с низким уровнем выбросов остается более дорогим, чем традиционное производство на основе ископаемого топлива в большинстве частей мира. Вот почему исследователи ищут способы более прямого использования солнечного света.
Вот тут-то и появился новый эксперимент.
Катализатор, который открывается светом
Исследователи из Университета штата Орегон создали то, что химики называют фотокатализаторами.
Катализатор — это материал, который помогает химической реакции протекать быстрее, не расходуясь при этом так же, как сырье для реакции. Добавьте слово «фото», что означает свет, и идея станет простой: фотокатализатор поглощает свет и использует эту энергию для запуска химических процессов.
Материал команды принадлежит к семейству, известному как металлоорганические каркасы, часто сокращенно MOF.
MOF — интересный класс материалов.
Представьте себе микроскопический конструктор. Атомы или ионы металлов действуют как соединительные точки. Молекулы на основе углерода, называемые линкерами, соединяют эти точки, образуя упорядоченный кристаллический каркас. Химики могут заменить металлы или линкеры, чтобы изменить поведение материала. Такая гибкость делает MOF привлекательными для всего: от хранения газов до катализа реакций.
Исследователи создали несколько версий MOF под названием BVR-19. Их лучшие результаты содержат цинк и органическую молекулу под названием L-цистин, родственную аминокислоте цистеину.
Но самое интересное не цинк.
Органическая часть выполняет тяжелую работу
«Органическая часть выполняет важную работу», — заявил в пресс-релизе руководитель исследования Кириакос Стилиану. «Вместо того, чтобы полагаться в первую очередь на атомы металлов, наш материал использует содержащиеся в нем блоки органической серы для захвата энергии света и перемещения электронов туда, где они необходимы для производства водорода. Это представляет собой другой взгляд на то, как следует проектировать эти материалы».
Многие фотокатализаторы в значительной степени полагаются на атомы металлов для удержания возбужденных электронов. Некоторым также требуется сокатализатор — по сути, второй вспомогательный материал, добавляемый для эффективного протекания конечной реакции с образованием водорода. БВР-19-Зн работал без него.
Вместо этого свет активирует связь сера-сера внутри цистиновой части каркаса.
Когда эта связь поглощает энергию, она может временно разорваться. Это создает высокореактивные серосодержащие соединения и помогает разделить электрические заряды внутри материала. Эти заряды могут участвовать в реакциях, которые превращают ионы водорода в газообразный водород.
Почему это важно для зеленого водорода
Это еще молодая технология; никто не собирается открывать новый водородный завод по этой технологии сегодня или завтра.
Но это подчеркивает интересный принцип.
Исследователи фотокатализаторов часто тратят много усилий на то, чтобы контролировать, как металлы обращаются с генерируемыми светом электронами. Это исследование показывает, что вместо этого химики могут сконструировать органическую часть материала, чтобы выполнить большую часть этой работы.
Это открывает гораздо больший набор химических инструментов.
«Наша работа представляет собой основу для разработки лучших материалов, которые могут снизить стоимость зеленого водорода», — сказал Стилиану.
Есть еще одна потенциально полезная особенность: исследователи синтезировали материалы БВР-19 в воде при комнатной температуре, не полагаясь на конкретные условия производства энергии.
Есть большие препятствия. В конечном итоге материал должен хорошо работать под полезным солнечным светом, работать дольше, чем несколько лабораторных циклов, и в идеале устранять жертвенный донор электронов. Исследователям также необходимо продемонстрировать, что система может быть построена и экономично эксплуатироваться в больших масштабах.
Но причина, по которой это исследование интересно, проще: ученые показали, что вода может выделять водород, в то время как необычный каркас, содержащий серу, использует свет, чтобы направлять электроны, необходимые для его высвобождения.
Если это удастся масштабировать, это может стать благом для водородной экономики.
