Кристалл BVR-19 превращает солнечный свет в водород

Группа исследователей под руководством химика Киракоса Стилиану из Университета штата Орегон представила семейство материалов, способных быстро и эффективно производить водород из воды с использованием света. Работа опубликована в Journal of the American Chemical Society и фокусируется на пористом кристаллическом материале BVR-19, реакция которого на свет дает ключи к проектированию более совершенных систем преобразования солнечной энергии в топливо.

Экономические барьеры зеленого водорода

Водород может питать топливные элементы автомобилей, однако его получение из природного газа сопровождается выбросами углекислого газа еще до заправки бака. Альтернативным источником является вода, но разделение атомов водорода и кислорода требует затрат энергии, что при использовании чистых источников значительно удорожает топливо.

Стилиану привел данные о существенном ценовом разрыве: стоимость килограмма водорода, полученного методом паровой конверсии метана (традиционный процесс), составляет около 1,50 доллара, тогда как для «зеленого» водорода этот показатель достигает примерно 5 долларов. Сокращение этого разрыва важно не только для транспорта, но и для производства аммиака, рафинирования металлов и изготовления пластмасс.

Структура и механизм действия MOF

Внутри BVR-19 органические молекулы соединяют положительно заряженные ионы металлов в структуру с нанопорами. Такие кристаллические структуры, известные как металлоорганические каркасы (MOF), позволяют химикам регулировать свойства материала, варьируя металлы и органические строительные блоки. Уже синтезировано почти 100 000 вариантов MOF, а свойства еще полумиллиона предсказаны теоретически из миллионов возможных дизайнов.

«Изменяя металл, сохраняя остальную часть материала практически неизменной, мы обнаружили, почему некоторые версии MOF работают гораздо лучше других», — отметил Стилиану. Эти выводы формируют новые правила проектирования эффективных материалов для производства солнечного топлива.

Роль серы и энергетическая эффективность

При воздействии света на BVR-19 временно разрывается связь между двумя атомами серы, образуя реакционноспособные формы серы. Этот процесс делает материал фотокатализатором: он поглощает свет, переходит в состояние с более высокой энергией и использует эту энергию для запуска химической реакции.

«Органический компонент выполняет важную работу. Вместо того чтобы полагаться преимущественно на атомы металла, наш материал использует свои органические строительные блоки, содержащие серу, для захвата световой энергии и перемещения электронов туда, где они необходимы для производства водорода», — пояснил исследователь. Это представляет иной подход к проектированию подобных материалов.

Перспективы промышленного применения

BVR-19 функционирует без необходимости использования дополнительного дорогостоящего металлического катализатора, что, по словам Стилиану, может упростить будущие системы получения водорода с помощью света. Дополнительным преимуществом является метод приготовления: материал спонтанно формируется в водном растворе при комнатной температуре, что обеспечивает значительное энергетическое преимущество в процессе синтеза.

Заправка автомобиля топливными элементами водородом, произведенным таким способом, зависит от превращения этих свойств материала в доступную производственную систему. Стилиану, возглавляющий Лабораторию открытия материалов OSU (MaD Lab), рассматривает полученные результаты как руководство к этой цели. «Наша работа предоставляет чертеж для проектирования лучших материалов, которые могут снизить стоимость зеленого водорода», — заключил он.