Новости химической науки > Новый способ фоторазложения воды

Исследователи из Китая и Израиля разработали новый эффективный способ применения солнечного света для расщепления воды на кислород и водород [1]. На первом этапе процесса вода окисляется до пероксида водорода, который затем разлагается в присутствии дешевого катализатора.

Разработчики уверены, что их процесс, для реализации которого требуются только дешевые, устойчивые и безопасные для окружающей среды катализаторы, уже сейчас может считаться одним из самых надежных методов фотолиза воды, при этом он вполне может быть оптимизирован далее.

Новый фотокатализатор содержит углеродные наноточки (изображены на вставке с большим увеличением), которые предохраняют катализатор от отравления. (Рисунок из Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aaa3145)

Применение солнечного света для получения водорода представляет собой непростую задачу. Самой известной методикой является фотоэлектролиз – фотогальваническая ячейка преобразует энергию Солнца в электрическую, которая и применяется для разложения воды. Минимальная разность потенциалов, необходимая для расщепления воды, составляет 1,23 эВ, однако прямое расщепление воды протекает в соответствии со сложным четырехэлектронным механизмом, поэтому для приемлемой скорости реакции необходимо напряжение не менее 2 В. Это обстоятельство приводит к необходимости использовать три или четыре солнечные батареи, что, очевидно, увеличивает стоимость процесса.

Более простым вариантом расщепления воды мог бы являться просто фотокатализ, в ходе которого измельченный катализатор, суспендированный в воде, поглощает фотоны и катализирует процесс расщепления. В принципе, такой процесс был бы более дешевым и более простым для применения в промышленном масштабе. Однако эффективность многих фотокатализаторов составляет менее 0.1%, для их изготовления требуются дорогие материалы, катализаторы часто могут инициировать побочные реакции, продукты которых отравляют его.

Исследовательская группа из Университета Сучой (Китай), руководителем которой является Женхуй Кан (Zhenhui Kang), решила увеличить производительность фотокатализа расщепления воды. Взятый для процесса композитный катализатор содержит дешевый и доступный нитрид углерода C₃N₄, внедренный в специально разработанный композитный материал, содержащий углеродные наноточки. Фотокатализатор C₃N₄ расщепляет воду на водород и пероксид водорода, который обычно может связываться с поверхностью катализатора, отравляя его. Тем не менее, углеродные наноточки играют роль уже химического катализатора, способствующего разложению пероксида водорода на воду и кислород. Еще одна роль наноточек заключается в том, что они помогают фотокатализатору C₃N₄ поглощать больше света.

Эффективность нового фотокатализатора составляет 2%. Наилучшим фотокатализатором расщепления воды в настоящее время является нанокристаллический оксид кобальта, эффективность которого около 5% [2]. Тем не менее, оксид кобальта начинает терять свою активность уже в течение первого часа работы, а новый катализатор не снижает свой коэффициент полезного действия по крайней мере в течение 200 часов.

Стив Данн (Steve Dunn) из Университета Королевы Марии (Лондон) заявляет, что новый катализатор полностью меняет правила игры в процессах фоторасщепления воды. Эрвин Райснер (Erwin Reisner) из Кембриджа обращает внимание на то, что пероксид водорода сам по себе является ценным промышленным продуктом (он используется в качестве отбеливателя или дезинфицирующего средства) и предполагает, что было бы интересно исследовать возможность выделения пероксида водорода из реакционной смеси до его разложения.

Источники: [1] Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aaa3145; [2] Nat. Nanotechnol., 2014, 9, 69 (DOI: 10.1038/nnano.2013.272)

метки статьи: #водородная энергетика, #кинетика и катализ, #нанотехнологии, #фотохимия, фотокатализ, #химия твердого тела