Ученые создали материал для эффективного использования солнечной энергии в химических реакциях

Иллюстрация работы ковалентных органических каркасов (COF) под воздействием солнечного света. Синие (донорные) и оранжевые (акцепторные) элементы поглощают видимый и инфракрасный свет, создавая два типа возбужденных состояний — синглетное и триплетное. Синглетные состояния обеспечивают движение электронов для запуска химических реакций, а триплетные передают энергию для производства полезных продуктов, таких как чистое топливо. Упорядоченная трехмерная структура COF содержит поры, позволяющие быстро транспортировать молекулы, делая процесс быстрым, эффективным и полностью свободным от металлов. Автор: Nature Materials

Химики из Национального университета Сингапура (NUS) разработали инновационные материалы, способные использовать как синглетные, так и триплетные возбужденные состояния для эффективного фотокатализа без применения металлов.

Фотокатализ — это перспективная «зеленая» технология, использующая солнечный свет для запуска химических реакций. Однако большинство существующих материалов задействуют только один тип световой энергии — либо синглетное, либо триплетное возбужденное состояние. Это ограничивает их эффективность и спектр применения, особенно при естественном солнечном свете, содержащем широкий диапазон длин волн.

Исследовательская группа под руководством профессора Донглина Цзяна с кафедры химии NUS создала новый класс ковалентных органических каркасов (COF), способных одновременно использовать оба типа возбужденных состояний. Эти двухканальные COF спроектированы с донорными и акцепторными блоками, расположенными в упорядоченных колоннах, что усиливается точными водородными связями для повышения стабильности и производительности при световом воздействии.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

Этот прорыв позволяет проводить высокоэффективные фотокаталитические реакции под действием красного и ближнего инфракрасного света — областей спектра, которые обычно слабо используются существующими катализаторами. Отсутствие металлов делает эти материалы экологически чистыми и экономически выгодными, с потенциальным применением в производстве чистого топлива, фармацевтике и «зеленых» промышленных процессах.

COF, разработанные исследовательской группой, содержат чередующиеся донорные и акцепторные молекулы, уложенные в строго упорядоченную колончатую структуру. Такая уникальная конструкция обеспечивает быстрый перенос заряда и энергии по всей структуре и позволяет активировать два различных типа возбужденных состояний:

• Синглетные состояния, идеальные для быстрых и селективных химических реакций
• Триплетные состояния, которые сохраняются дольше и могут запускать более сложные превращения

Мало какие материалы могут эффективно использовать оба пути, но новые COF реализуют это в единой системе, позволяя утилизировать больше солнечного света для каталитических целей. Тесты показали, что материалы демонстрируют исключительную эффективность даже при низкоэнергетическом красном свете, достигая одних из самых высоких частот оборота, зарегистрированных для систем без металлов. Они также не требуют добавления каких-либо металлов или химикатов для повышения производительности.

В одном из примеров под действием красного света (620 нм) материал H₂P-BT(OMe)₂-COF преобразовал 98% химического вещества бензиламина в целевой продукт за 10 минут. Он также продемонстрировал высокую эффективность с частотой оборота 1298 в час, что означает способность каждого активного центра материала проводить более тысячи реакций каждый час.

Каркасы также модульны и могут быть адаптированы для различных типов реакций простой заменой донорных или акцепторных блоков. Их пористая структура обеспечивает эффективный транспорт реагентов, что делает их идеальными для промышленного применения, такого как процессы с непрерывным потоком.

«Эта работа открывает новые возможности для устойчивого фотокатализа. Наши двухканальные COF демонстрируют, что можно более полно и эффективно утилизировать свет с помощью материалов без металлов. Мы с энтузиазмом исследуем, как далеко сможем продвинуть эту технологию в реальных приложениях», — заявил профессор Цзян.

Исследовательская группа планирует адаптировать эти COF для крупномасштабных применений, таких как генерация солнечного топлива и экологическая очистка. Путем настройки их структуры материалы могут быть приспособлены для широкого спектра светозависимых химических процессов.

Дополнительная информация: Ruoyang Liu et al, Harvesting singlet and triplet excitation energies in covalent organic frameworks for highly efficient photocatalysis, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02281-z

Источник: National University of Singapore