Исследователи из Университета штата Орегон (Oregon State University) создали новый класс материалов, способных использовать свет для получения водорода из воды. Это открывает потенциально более чистый способ преобразования солнечной энергии в топливо.

Работу возглавил Кириакос Стилиану из Колледжа наук OSU. Его команда разработала фотокатализатор, способный производить водород быстро и эффективно. Водород широко используется в топливных элементах для транспорта, а также при производстве аммиака, очистке металлов и изготовлении пластмасс.

Катализатор — это вещество, ускоряющее химическую реакцию, но само в процессе не изменяющееся. Фотокатализатор работает похожим образом, но активируется светом. Поглотив свет, материал переходит в состояние с более высокой энергией и может использовать её для ускорения химических реакций.

Результаты исследования, опубликованные в Journal of the American Chemical Society, могут дать учёным ещё один инструмент для снижения выбросов парниковых газов и борьбы с изменением климата, отметил Стилиану.

Его исследования сосредоточены на металлоорганических каркасах (MOF) — кристаллических пористых материалах, структуру которых можно точно настраивать. MOF состоят из положительно заряженных ионов металлов, окружённых органическими молекулами-«линкерами». Их микроскопические поры и регулируемая структура позволяют учёным тонко настраивать свойства материала под разные задачи.

Теоретически возможно существование миллионов различных структур MOF, говорит Стилиану. Химики уже синтезировали почти 100 000 из них, а свойства ещё примерно полумиллиона предсказаны.

В этом исследовании учёные сосредоточились на MOF под названием BVR-19. Материал содержит необычную связь сульфид-сульфид, которая временно разрывается под воздействием света, образуя высокореактивные серные частицы.

«Важную работу выполняет органический компонент, — сказал Стилиану. — Вместо того чтобы полагаться в первую очередь на атомы металла, наш материал использует свои серосодержащие органические строительные блоки для захвата световой энергии и переноса электронов туда, где они нужны для производства водорода. Это принципиально иной подход к проектированию таких материалов».

Такой подход означает, что BVR-19 не требует дополнительного дорогостоящего металлического катализатора, добавил Стилиану. Это может упростить проектирование будущих систем получения водорода с помощью света.

У материала есть и ещё одно потенциальное преимущество: BVR-19 самопроизвольно образуется в водных растворах при комнатной температуре, что снижает энергозатраты на его производство.

Получение водорода путём расщепления воды с помощью катализатора может быть чище доминирующего промышленного метода, основанного на природном газе. Этот традиционный процесс, известный как паровой риформинг метана, выделяет углекислый газ при производстве водорода.

Существующие методы получения водорода из воды часто полагаются на электрокатализ, использующий электричество для запуска реакции. Экологические преимущества такого подхода сильно зависят от источника электроэнергии. Чтобы оставаться устойчивым и экономически конкурентоспособным, электричество должно поступать из дешёвых возобновляемых источников.

В настоящее время водород, полученный паровым риформингом метана, стоит около $1,50 за килограмм (~120 руб.), тогда как «зелёный» водород — примерно $5 за килограмм (~400 руб.).

«Наша работа даёт план проектирования более совершенных материалов, способных снизить стоимость зелёного водорода, — сказал Стилиану, директор Лаборатории открытия материалов OSU (MaD Lab). — Меняя металл, но оставляя остальную часть материала практически неизменной, мы выяснили, почему одни версии MOF работают намного лучше других. Эти результаты дают новые правила проектирования более эффективных материалов для производства солнечного топлива».

Исследование поддержали Murdock Charitable Trust, Национальный научный фонд и Колледж наук OSU.

Источники:

sciencedaily.com

Materials provided by Oregon State University.

Emmanuel Nyela Musa, Galen Fritz, Dylan Pyle, Logan S. Lancaster, Taylor D. Krueger, Min Soo Jung, Jacob M. Lessard, Andrzej Gładysiak, Ankit K. Yadav, Silas Musa Blessed, Prayash Mohanty, Jacob S. Hirschi, Hongliang Huang, William F. Stickle, Xiulei Ji, Chong Fang, Tim J. Zuehlsdorff, Kyriakos C. Stylianou. Intraligand ChargeTransfer in Metal-Organic FrameworksFacilitates Radical Anion-Mediated Hydrogen Evolution. Journal of the AmericanChemical Society, 2026; 148 (37): 40255 DOI: 10.1021/jacs.6c13238