Новости химической науки > Нитрид углерода поможет расщепить воду

Недорогие катализаторы расщепления воды могут значительно понизить стоимость получения водорода для топливных элементов. Для разработки таких катализаторов исследователи из Великобритании интегрировали устойчивый углеродсодержащий катализатор в систему для фоторасщепления воды. Катализатор представляет собой графитоподобный нитрид углерода, и его можно получить из дешевой и доступной мочевины.

Система для расщепления воды, идея создания которой была позаимствована у процеса фотосинтеза, работает следующим образом – солнечный свет активирует металлооксидный фотокатализатор (WO₃ или BiVO₄), который способствует окислению воды до кислорода и ионов гидроксония. Медиатор окислительно-восстановительной реакции обеспечивает перенос выделившихся электронов на графитоподобный нитрид углерода (g-C₃N₄). Солнечный свет возбуждает ставший электроноизбыточным g-C₃N₄, который катализирует процесс образования молекулярного иона из ионов гидроксония. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc. 2014, DOI: 10.1021/ja506386e)

Обычно технологии расщепления воды построены по образу и подобию процесса фотосинтеза – в них для получения молекулярных кислорода и водорода из воды используются фотокатализаторы. На первом этапе работы таких систем солнечный свет активирует металлооксидный фотокатализатор, который способствует окислению воды до кислорода и ионов гидроксония. Оксид металла в процессе окисления кислорода поглощает электроны и с помощью окислительно-восстановительного медиатора (например, йодида натрия) передает электроны на второй катализатор, который при возбуждении светом восстанавливает ионы гидроксония до молекулярного водорода.

Графитоподобный нитрид углерода является дешевым и стабильным катализатором расщепления воды. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc. 2014, DOI: 10.1021/ja506386e)

Юньвон Тан (Junwang Tang) из Университетского Колледжа Лондона отмечает, что успех в создании эффективной системы расщепления воды заключается в подборе нужных материалов, выступающих в качестве катализаторов каждой из полуреакции. Так, органические полупроводники отличаются высокой фотокаталитической активностью, однако они отличаются куда меньшей стабильностью, чем неорганические полупроводники. Тем не менее, недавно было обнаружено, что графитоподобный нитрид углерода (g-C₃N₄), который может считаться органическим полупроводником, сохраняет устойчивость и в кислых и в щелочных растворах.

Опираясь на эту информацию, исследователи из группы Тана решили использовать для восстановления водорода g-C₃N₄. Для получения g-C₃N₄ исследователи использовали термическое разложение мочевины, доступного и дешевого сырья. По словам Тана, получение g-C₃N₄ увеличивает степень полимеризации структурных единиц этого материала, а увеличение степени полимеризации означает, что у материала увеличивается площадь поверхности и появляется больше активных центров, катализирующих процессы восстановления.

Исследователи испытали работу g-C₃N₄ в связи с двумя оксидами металлов, ранее разработанными для процессов фотоокисления – ванадатом висмута (BiVO₄) и триоксидом вольфрама (WO₃), работали обе системы, но система с оксидом вольфрама давала более высокую производительность.

Эффективность новой двойной каталитической системы пока еще не высока, за 10 часов с ее помощью удалось расщепить только 200 мл воды (1% от общего количества воды, взятого для эксперимента), тем не менее, она демонстрирует идеальное соотношение образующихся водорода и кислорода – 2:1. Тан предполагает, что эффективность можно увеличить, скажем, за счет частичного восстановления триоксида вольфама или за счет увеличения степени полимеризации g-C₃N₄, и исследователи планируют провести обе этих модификации и проверить, как они сработают.

Источник: J. Am. Chem. Soc. 2014, DOI: 10.1021/ja506386e

метки статьи: #кинетика и катализ, #нанотехнологии, #новые материалы, #фотохимия, фотокатализ, #химическая технология, #электрохимия