Ученые открыли новый способ превращения солнечного света в топливо

Фотокатализ — это процесс, при котором свет запускает химические реакции, и управление им — одна из самых заманчивых задач современной науки.

Если научиться превращать солнечный свет в химическую энергию эффективно и недорого, можно получать водород из воды, перерабатывать углекислый газ в полезные вещества и производить промышленные химикаты вроде перекиси водорода — и все это на энергии Солнца. Ключевую роль в этом могут сыграть материалы из семейства полигептазиниминов, и новая работа специалистов Центра передовых системных исследований (CASUS) при Институте Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе существенно приближает этот момент.

Полигептазинимины относятся к классу нитридов углерода — слоистых материалов, напоминающих графен, но построенных из богатых азотом кольцевых молекулярных блоков. В отличие от графена, который прекрасно проводит ток, но плохо подходит для фотокатализа, полигептазинимины способны поглощать видимый свет — именно тот диапазон, в котором Солнце излучает больше всего энергии. Вдобавок они недороги, нетоксичны и термически устойчивы.

Однако ранние версии этих материалов работали не слишком эффективно: поглощенная энергия света быстро терялась, потому что возбужденные электроны слишком рано сливались с положительно заряженными «дырками», не успевая запустить химическую реакцию. Решение нашлось в ионах металлов: встраивание их в структуру материала позволяет значительно улучшить разделение зарядов.

Три слоя полимерной сетки полигептазинимида, легированного ионами серебра. В этом примере ионы металла расположены между слоями, вызывая расширение кристаллической решетки и структурные искажения. Однако полимерная основа остается неизменной. Изменяется только геометрия пор.Источник: B. Schröder/HZDR

Проблема в том, что вариантов модификации — огромное множество. Можно менять ионы металлов, добавлять функциональные группы, заменять атомы углерода или азота кислородом или фосфором. Перебирать все комбинации в условиях лаборатории попросту нереально. Поэтому команда под руководством профессора Томаса Кюне разработала вычислительный подход, который позволяет надежно предсказывать свойства материалов до их лабораторного синтеза.

Соавтор работы доктор Захра Хаджиахмади систематически проанализировала влияние 53 различных ионов металлов на оптические и электронные свойства полигептазиниминов. «Мы использовали методы теории многочастичных возмущений, которые выходят за рамки стандартных подходов и учитывают поведение материала при реальном освещении, а не только в основном состоянии», — поясняет она.

Предсказания были проверены экспериментально: ученые синтезировали восемь материалов с разными ионами металлов и протестировали их в реакции получения перекиси водорода. Совпадение оказалось высоким — расчеты превзошли конкурирующие вычислительные методы.

«Путь к целенаправленному созданию эффективных фотокатализаторов для устойчивых реакций теперь стал более ясным и простым, — заключает Кюне. — Я убежден, что он поможет нам достичь успеха в нашей задаче».