Солнечный катализатор установил новый рекорд эффективности производства перекиси водорода

Исследователи из KAUST разработали инновационный фотокатализатор, который производит 102 микромоля перекиси водорода в час под воздействием видимого света, значительно превосходя ранее известные фотокатализаторы. Автор: 2025 KAUST.

Перекись водорода (H₂O₂) содержит столько химической энергии в малом объеме, что её достаточно для питания ракет. Но эта же способность концентрировать энергию делает перекись водорода полезной и для более приземленных энергетических применений, таких как питание топливных элементов. Она также перспективна как экологичный и устойчивый источник энергии: когда перекись водорода высвобождает накопленную энергию, основным побочным продуктом является просто вода.

Хуабин Чжан и его команда в KAUST вместе с коллегами из Китая и США разработали материал, который значительно повышает производство перекиси водорода. «Мы предложили удобную стратегию для регулирования химического состояния катализатора на атомном уровне», — говорит Чэнъян Фэн из команды KAUST.

Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

Традиционный подход к промышленному производству перекиси водорода требует нескольких органических растворителей, токсичных для окружающей среды. Гораздо более экологически чистый подход — использование фото каталитической системы, работающей на солнечном свете.

Эти системы генерируют перекись водорода непосредственно из воды и кислорода воздуха, используя полупроводниковый фотокатализатор, который улавливает солнечную энергию. При воздействии солнечного света фотокатализатор поглощает фотоны и генерирует носители заряда — электроны и дырки. Фотовозбужденные электроны участвуют в реакции восстановления кислорода (ORR) на поверхности катализатора, восстанавливая молекулы кислорода до перекиси водорода.

Эффективность этого процесса значительно повышается за счет оптимизации поверхностных свойств фотокатализатора и его взаимодействия со светом.

Одной из основных проблем повышения фото каталитической эффективности является то, что возможны множественные реакции восстановления кислорода. Путь, ведущий к перекиси водорода, involves два электрона. Но есть и другие, менее полезные реакции. Четырехэлектронный процесс генерирует воду, а одноэлектронные реакции образуют нестабильные супероксиды. Среди этих возможностей образование воды является термодинамически наиболее благоприятным, поэтому катализаторы необходимо проектировать так, чтобы кинетически благоприятствовать желаемому двухэлектронному пути к перекиси водорода.

Фотокатализатор, разработанный исследователями, был создан с использованием триоксида вольфрама (WO₃), который они модифицировали добавлением изолированных атомов меди. Хотя триоксид вольфрама уже является хорошо известным фотокатализатором, команда добавила атомы меди для захвата и активации молекул кислорода и для направления реакций по двухэлектронному пути.

«По сравнению с ранее продемонстрированными катализаторами, наш катализатор имеет четко определенные одноатомные каталитические центры, где электронные состояния, управляющие химическими реакциями, являются настраиваемыми», — поясняет Фэн. «Этого можно легко достичь, регулируя взаимодействие между металлическими центрами и носителем».

Команда изучила несколько различных составов, но их лучший фотокатализатор производил 102 микромоля перекиси водорода в час при облучении видимым светом. Это намного выше, чем у любого ранее заявленного фотокатализатора, и в 17,3 раза больше, чем у катализатора из триоксида вольфрама без меди.

«Следующим шагом в этом исследовании является дальнейшая оптимизация каталитической системы в реальных условиях, изучение её масштабируемости и долгосрочной операционной стабильности, а также исследование её интеграции в практические устройства или процессы», — добавляет Фэн.

Больше информации: Fan Yang et al, Photocatalytic H2O2 Production with >30% Quantum Efficiency via Monovalent Copper Dynamics, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c02450

Источник: King Abdullah University of Science and Technology