Nowy katalizator podziału wody może usprawnić proces wytwarzania wodoru
Z uwagi na powszechnie uznaną rolę wodoru jako bezpiecznego i ekologicznego nośnika energii badania nad jego wytwarzaniem, zwłaszcza ze źródeł odnawialnych, przybrały na intensywności. Jednym z kilku sposobów wytwarzania wodoru jest podział wody z wykorzystaniem światła słonecznego przy pomocy fotokatalizatorów. W ramach częściowo finansowanego ze środków UE projektu DYNAPORE badacze zsyntetyzowali nowy materiał organiczny na potrzeby fotokatalitycznego solarnego wytwarzania wodoru, czyli podziału wody. Wyniki tych prac ukazały się niedawno w czasopiśmie „Nature Chemistry”. Według informacji prasowej opublikowanej na portalu internetowym Uniwersytetu w Liverpoolu zespół połączył eksperymenty oraz obliczenia w celu opracowania fotokatalizatora. Fotokatalityczny podział wody z wykorzystaniem światła słonecznego wydaje się być obiecującą technologią, która może zapewnić dużą ilość energii bez powstawania szkodliwych produktów ubocznych. Jest to możliwe tylko w przypadku wydajnego wykorzystania energii ze światła słonecznego, jak wyjaśniono w informacji prasowej. „Materiały nieorganiczne są powszechniej stosowane jako katalizatory podziału wody, jednak możliwe jest też uzyskiwanie katalizatorów organicznych z tanich, powszechnie dostępnych materiałów, takich jak węgiel, azot i siarka”. Xiaoyan Wang, doktorant na wydziale chemii, który prowadził eksperymenty na wspomnianym uniwersytecie, stwierdził: „Aby osiągnąć duże tempo ewolucji wodoru, trzeba mieć dostęp do dużej ilości wody; potrzebny jest też szeroki zakres wchłaniania światła, duża powierzchnia oraz wysoka krystaliczność. Łącząc wszystkie te cechy w jednym materiale, uzyskujemy bardzo aktywny fotokatalizator”. Stabilność i wydajność W artykule w czasopiśmie badacze zauważyli, że w przyrodzie cząsteczki organiczne wykorzystuje się „do pozyskiwania światła i fotosyntezy, jednak większość katalizatorów podziału wody wyprodukowanych przez człowieka to nieorganiczne półprzewodniki”. Dodali też: „Choć fotokatalizatory organiczne są atrakcyjne z uwagi na ich elastyczność syntetyczną, w przypadku wody często wykazują się niską wydajnością kwantową. Prezentujemy tu krystaliczną organiczną sieć kowalencyjną (COF) opartą na grupie funkcyjnej benzo-bis(sulfonu benzotiofenu) wykazującej dużo większą aktywność pod względem fotochemicznej ewolucji wodoru niż jej amorficzne lub półkrystaliczne odpowiedniki”. Podkreślili, że „COF zachowuje się stabilnie przy długotrwałym widocznym napromieniowaniu i wykazuje stabilne właściwości w zakresie fotochemicznej ewolucji wodoru z materiałem będącym donorem elektronów przez co najmniej 50 godzin”. Naukowcy przypisują wysoką wydajność kwantową „połączonego sulfonowego COF jego krystaliczności, dużemu zakresowi wchłaniania światła widzialnego oraz jego zwillżalnym, hydrofilowym mezoporom o wielkości 3,2 nm”. Stwierdzili oni, że wpływ tych porów na sieć doprowadził do „dalszego zwiększenia o 61 % tempa ewolucji wodoru nawet do 16,3 mmol g−1 h−1. COF utrzymała też aktywność fotokatalityczną po nałożeniu jej cienkiej warstwy na podporę”. COF zyskały niedawno popularność jako wysoce obiecujące fotokatalizatory ewolucji wodoru. Stanowią one względnie nową klasę krystalicznych polimerów organicznych złożonych z lekkich pierwiastków takich jak tlen, bor i azot; łączą je silne wiązania kowalencyjne, dzięki którym tworzą one sztywne, porowate struktury. Wiązanie kowalencyjne to międzyatomowe połączenie będące skutkiem współdzielenia pary elektronów przez dwa atomy. Dzięki możliwym zastosowaniom w wielu dziedzinach, takich jak kataliza, elektronika organiczna oraz magazynowanie energii COF są atrakcyjnym przedmiotem badań. Projekt DYNAPORE (Dynamic responsive porous crystals), który sfinansował badanie, ma na celu „opracowanie synergicznej, multidyscyplinarnej, eksperymentalnej i obliczeniowej możliwości wykorzystania dynamiki elastycznych, krystalicznych, porowatych ciał stałych do działania wykazanego w podziale i katalizie”, jak podano na stronie serwisu CORDIS. Dodatkowo „zajmuje się on kwestią długofalowej wizji wyprodukowanych przez człowieka materiałów o selektywności chemicznej i wydajności funkcjonalnej uzyskanych dzięki dynamicznej elastyczności strukturalnej”. Więcej informacji: strona projektu w serwisie CORDIS
Kraje
Zjednoczone Królestwo
