Новосибирские ученые предложили метод синтеза высокоактивного фотокатализатора для получения водорода под действием видимого света, в том числе солнечного. Разработанные материалы представляют собой пористые «губки» из графитоподобного нитрида углерода с наночастицами платины. Система показала одно из самых высоких значений фотокаталитической активности среди всех известных аналогов при малом содержании благородного металла. С результатами работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах высокорейтингового издания Chemical Engineering Journal.
Графическая иллюстрация сути работы. Источник: Екатерина Козлова
Стремительное сокращение запасов природного углеводородного сырья и общемировой тренд на снижение углеродного следа определили одно из важных направлений современных исследований — разработку новых недорогих источников энергии.
«Большие надежды мы возлагаем на солнечную энергетику, а в качестве топлива можно использовать водород. Этот экологически чистый газ обладает высокой плотностью энергии, превышающей таковую для дизеля в 6 раз, а для бензина — в 12. В рамках нашего проекта мы разрабатываем подход, который объединяет два этих перспективных направления, а именно способ фотокаталитического получения водорода из воды под действием видимого света», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Екатерина Козлова, доктор химических наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН.
В своей новой работе сотрудники Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН вместе с коллегами из Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск) предложили путь решения проблемы, серьезно ограничивающей развитие солнечной водородной энергетики: ранее не было достаточно эффективного и одновременно стабильного фотокатализатора.
Авторы представили способ синтеза высокоактивного материала, при этом не использовались токсичные растворители, а сам подход очень прост. Пористую основу из нитрида углерода ученые изготовили путем термического разложения цианурата меламина — широко применяемого в химической промышленности комплекса, в котором две органические кислоты соединены водородными связями. Такой материал сам по себе является катализатором, все дело в его полупроводниковых свойствах: под действием света в нем формируются электрон-дырочные пары, вступающие в химические превращения с адсорбированными на поверхности материала молекулами. Однако гораздо лучше полупроводник будет работать, если на него нанести сокатализатор, например платину, как сделали химики в данной работе.
Подход позволил получить систему с самым высоким показателем «частоты оборотов» выработки водорода среди всех известных на данный момент фотокатализаторов — 1650 молекул газа, генерируемых единственным атомом платины за час. Это можно объяснить благоприятным сочетанием сразу нескольких факторов: большой удельной площади поверхности вместе с равномерным распределением наночастиц металла и развитой системой пор. Кроме того, катализатор оказался достаточно стабильным, и после проведения реакции его кристаллическая структура и химический состав практически не изменились. Это обусловлено особенностями расположения платины в пористой основе: наночастицы металла самопроизвольно адсорбировались вокруг дефектов и на краях слоев нитрида углерода. В результате химическая реакция происходила именно в этих участках.
«Мы также собрали демонстрационную фотокаталитическую установку, для которой нам еще предстоит подобрать оптимальный состав реакционной смеси. Полученные результаты послужат научной основой при создании прототипов устройств для получения водорода под действием солнечного света. Фактически разрабатываемый подход может рассматриваться в будущем как основа для развития солнечной водородной энергетики», — подводит итог Екатерина Козлова.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
