Ученые только что нашли новый способ получения водорода из воды.
Исследователи Университета штата Орегон создали новый класс материалов, способный с помощью света производить водород из воды, что открывает потенциально более чистый путь превращения солнечной энергии в топливо.
Работу возглавлял Кириакос Стилиану из Колледжа наук ОСУ. Его команда разработала фотокатализатор, который способен быстро и эффективно производить водород. Водород широко используется в топливных элементах для транспортных средств, а также при производстве аммиака, очистке металлов и производстве пластмасс.
Использование света для ускорения химических реакций
Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, не претерпевая при этом постоянных изменений, объяснил Стилиану. Фотокатализатор работает похожим образом, но активируется светом. После поглощения света материал переходит в более энергетическое состояние и может использовать эту энергию для приведения химических реакций в действие более быстро.
Результаты, опубликованные в Journal of the American Chemical Society, могут дать исследователям еще один инструмент для сокращения выбросов парниковых газов и борьбы с изменением климата, отметил Стилиану.
Его исследования сосредоточены на металлоорганических каркасах, или MOF (metal–organic frameworks), которые представляют собой кристаллические пористые материалы со структурами, которые можно тщательно настраивать.
MOF строятся из положительно заряженных ионов металлов, окруженных органическими «связывающими» молекулами. Их крошечные поры и регулируемые структуры позволяют ученым точно подбирать свойства для различных приложений.
Теоретически возможно миллионы различных структур MOF, сказал Стилиану. Химики уже синтезировали почти 100 000 таких структур, в то время как свойства примерно еще полумиллиона предсказаны.
Необычная серная связь запускает реакцию
Для этого исследования команда сосредоточилась на MOF под названием BVR-19. Материал содержит необычную связь сульфид‑к‑сульфиду, которая временно разрывается при освещении, образуя высокореактивные серосодержащие виды.
«Органическая часть выполняет важную работу», — сказал Стилиану. «Вместо того чтобы в основном полагаться на атомы металла, наш материал использует свои органические строительные блоки, содержащие серу, чтобы поглощать энергию света и перемещать электроны туда, где они нужны для производства водорода. Это означает иной подход к проектированию таких материалов».
По словам Стилиану, такой подход позволяет BVR-19 обходиться без дополнительного дорогостоящего металлического катализатора. Это может упростить будущие системы производства водорода, работающие на световом приводе.
Материал также имеет еще одно потенциальное преимущество. BVR-19 образуется самопроизвольно в водных растворах при комнатной температуре, что снижает количество энергии, необходимое для его получения.
Более чистая альтернатива традиционному водороду
Производство водорода путем расщепления воды с помощью катализатора может быть более чистым, чем доминирующий промышленный метод, который опирается на природный газ.
Этот традиционный процесс, известный как реформинг пара с метаном, выделяет углекислый газ в процессе получения водорода.
Существующие методы получения водорода из воды часто используют элекрокатализ, который применяет электричество для запуска катализаторной реакции. Экологические преимущества такого подхода в значительной степени зависят от источника электричества. Чтобы оставаться устойчивым и экономически конкурентоспособным, энергия должна поступать из недорогих возобновляемых источников.
В настоящее время водород, произведенный методом реформинга пара с метаном, стоит примерно 1,50 доллара за килограмм, тогда как «зеленый» водород обходится примерно в 5 долларов за килограмм.
Новые правила проектирования для более дешевого зеленого водорода
«Наша работа дает чертеж для разработки лучших материалов, которые могут снизить стоимость зеленого водорода», — сказал Стилиану, руководитель Лаборатории материаловных открытий ОСУ (MaD Lab). «Изменяя металл при сохранении остальной части материала по существу неизменной, мы выяснили, почему одни варианты MOF работают значительно лучше других. Эти выводы дают новые правила проектирования для создания более эффективных материалов для производства солнечного топлива».
В составе MaD Lab участвовали Эммануэль Муса, Дилан Пайл, Джейкоб Лессар, Анджей Гладысяк, Анкит Ядав, Сайлас Блессед и Праяш Моханти; к исследованию присоединились также Логан Ланкастер, Тейлор Крюгер, Мин Су Чжун, Гейлен Фриц, Джейкоб Хирши, Хонглианг Хуанг, Уильям Стикл, Сюлей «Дэвид» Цзи, Чон Фан и Тим Цюльсдорфф из Университета штата Орегон.
Исследование поддержали Murdock Charitable Trust, Национальный научный фонд и Колледж наук ОСУ.
Материалы предоставлены Университетом штата Орегон.
Список авторов и ссылка на статью: Эммануэль Ньела Муса, Гейлен Фриц, Дилан Пайл, Логан С. Ланкастер, Тейлор Д. Крюгер, Мин Су Чжун, Джейкоб М. Лессар, Анджей Гладысяк, Анкит К. Ядав, Сайлас Муса Блессед, Праяш Моханти, Джейкоб С. Хирши, Хонглианг Хуанг, Уильям Ф. Стикл, Сюлей Цзи, Чон Фан, Тим Дж. Цюльсдорфф, Кириакос К. Стилиану. Intraligand Charge Transfer in Metal-Organic Frameworks Facilitates Radical Anion-Mediated Hydrogen Evolution. Journal of the American Chemical Society, 2026; 148 (37): 40255 DOI: 10.1021/jacs.6c13238
