Новый материал для производства солнечного водорода удерживает заряд в 1000 раз дольше
/https%3A%2F%2Fs3.eu-central-1.amazonaws.com%2Fmedia.my.ua%2Ffeed%2F137%2F90f68d14c7ecb9b301c41f5a4b3bb7f7.png)
Материал на основе ковалентного органического каркаса (COF) с кумариновыми связями, разработанный исследователями Института технологий и инженерии материалов Нинбо (NIMTE) Китайской академии наук (CAS), открыл путь к более быстрому расщеплению воды для получения водорода с использованием солнечного света в качестве источника энергии.
«Поскольку мир ищет способы отказаться от ископаемого топлива, возобновляемые источники энергии, в частности ветровая и солнечная, приобретают всё большее значение. Для подачи безуглеродной электроэнергии в сеть уже созданы крупномасштабные генерирующие объекты. Однако электроэнергия, произведенная такими источниками, не может полностью заменить ископаемое топливо в сферах, где требуется высокая плотность энергии», — пишет Interesting Engineering.
В таких условиях водород имеет преимущество перед возобновляемой энергией, поскольку он может сгорать подобно углеродосодержательным видам топлива, образуя в качестве побочного продукта только воду и выделяя большое количество энергии. В то же время производство водорода может быть углеродоемким, поэтому исследователи ищут более эффективные подходы. Один из них заключается в использовании солнечного света для расщепления молекул воды на водород и кислород — процесса, который в технической терминологии называется фотокаталитическим расщеплением воды.
Использование фотокатализаторов COF
Для фотокаталитических реакций учёные обычно используют фотоорганический катализатор — соединение на основе углерода, которое способствует поглощению видимого или ультрафиолетового света, переводит электроны в возбужденное состояние и способствует производству водорода, что потенциально может решить энергетический кризис, с которым сталкивается мир.
«Однако электроны и дырки, образующиеся в ходе этого процесса, быстро рекомбинируют, что сказывается на общей эффективности реакции. Поэтому учёные обратились к ковалентным органическим каркасам (COF) — пористым полимерам, состоящим из органических молекул, соединенных прочными ковалентными связями, и свойства которых можно широко настраивать», — отмечает Interesting Engineering.
В обычных COF гибкие связи могут подвергаться вращению вне плоскости, что усиливает рассеивание энергии. Это также является причиной снижения эффективности каталитического процесса. Поэтому исследователи из NIMTE совместно с коллегами из Технического института физики и химии CAS внедрили жесткую и плоскую кумариновую связь в полностью сопряженный COF.
В 1000 раз более длительный срок службы заряда
По сравнению с обычными аминными и виниловыми связями кумариновая связь продемонстрировала более высокую конформационную жесткость и подавила структурные колебания. Она также способствовала делокализации π-электронов, что обеспечивает перенос на большие расстояния носителей заряда и сужает ширину запрещенной зоны. Исследователи обнаружили, что COF с кумариновыми связями обеспечивал улучшенное разделение заряда: состояние разделенного заряда сохранялось в 1000 раз дольше, чем у аналога с именными связями.
Когда в качестве катализатора использовались наночастицы платины (Pt), фотогенерированные электроны из COF передавались на Pt примерно за 407 пикосекунд, способствуя производству водорода. При облучении светом с длиной волны 440 нм скорость выделения водорода из COF с кумариновыми связями составляла 531 ммоль г⁻¹ ч⁻¹, а квантовый выход достиг 37,95 % при длине волны 405 нм.
«В этой работе предлагается простая и эффективная стратегия регулирования динамики заряда в сопряженных COF с помощью инженерии связей», — — пояснил профессор NIMTE Чжан Тао в пресс-релизе. — «Она открывает новые возможности для проектирования и применения высокоэффективных органических фотокатализаторов для производства солнечного водорода».
При видимом свете с длиной волны свыше 420 нм достигнута скорость выделения водорода составляла 166 ммоль г⁻¹ ч⁻¹, что свидетельствует о потенциале производства водорода с помощью солнечной энергии. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Synthesis.
Источник: Interesting Engineering