Исследователи Южного федерального университета получили новые наноразмерные катализаторы, способные получать «зеленый водород» путем расщепления воды в присутствии солнечного света. Такие возможности стали доступны благодаря уникальным сферическим наночастицам с полым ядром и оболочкой в составе катализаторов, эффективно улавливающим падающий солнечный свет и снижающим скорость рекомбинации фотогенерированных носителей заряда.

Многие десятилетия человечество использует стандартные энергоресурсы, такие как уголь, газ и нефть, которые постепенно исчерпываются. Кроме того, наша планета претерпевает масштабное загрязнение, происходит большое выделение диоксида углерода, отравление окружающей среды и карбонизация. В связи с этим поиск новых источников возобновляемой альтернативной энергии приобретает большую актуальность в научной среде.

Сегодня важнейшей составляющей политики перехода в углеродно-нейтральное состояние энергетики России стала водородная энергетика. Она заключается в том, что при окислении водорода, приводящем к выработке электроэнергии, образуется экологически чистая и во всех смыслах безопасная вода. Из нее снова можно добывать водород, и так без конца. Водородная энергетика используется даже при создании электрокатализаторов для низкотемпературных топливных элементов, которые могут применяться в создании «чистых» машин будущего без выхлопных газов.

Исследователи Южного федерального университета вносят неоспоримый вклад в развитие альтернативной энергетики. Так, в недавней работе коллектива ученых Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ были предложены нанокатализаторы для фотоэлектрокаталитической генерации водорода с использованием водостойких металлорганических каркасных структур (международный термин – MOF). Разработка фотоэлектронанокатализаторов на основе новых материалов крайне востребована, но остается очень сложной задачей.

Вначале исследователи синтезировали идеальную сферическую наночастицу титан-содержащих MOF. Затем была произведена оптимизация поверхности наночастиц, а также разработана технология получения структурированной частицы «ядро-оболочка». По словам экспертов, частичное разложение сферической Ti-MOF приводит к образованию полой структуры типа «ядро-оболочка» благодаря различию структуры внутреннего и наружного слоев (см. рис).

Сферический каркас наночастицы (слева) и структура «ядро-оболочка" (справа), созданная на втором этапе синтеза. Изображения получены с помощью сканирующей электронной микроскопии

«Уникальная природа сферических наночастиц с полым ядром и оболочкой позволяет эффективно улавливать падающий солнечный свет и снижать скорость рекомбинации фотогенерированных носителей заряда. Эти нанокатализаторы являются крайне перспективными для получения «зеленого водорода» путем расщепления воды в присутствии солнечного света», – отметил автор научной статьи, постдок МИИ ИМ ЮФУ из Индии Аслам Хоссейн.

Большое разнообразие разрабатываемых коллективом нанопористых метал-органических структур открывает широкие возможности создания новых классов нанокатализаторов, используя предложенный способ оптимизации их практических важных характеристик.

Результаты исследования, посвященного созданию сферических нанопористых фотоэлектрокатализаторов со структурой «ядро-оболочка», были высоко оценены научным сообществом и опубликованы в высокорейтинговом научном издании «Small» с импакт-фактором 15.153.

Один из авторов научной статьи, молодой исследователь из Индии Аслам Хоссейн (Aslam Hossain), работающий на позиции постдока в Южном федеральном университете, отмечает, что условия, созданные в ЮФУ, позволяют уже в ближайшем будущем разработать новую методику ускоренной оптимизации параметров синтезируемых нанопористых фотокатализаторов под конкретные практические применения, востребованные в «зеленой» энергетике будущего.

Работа проведена в рамках реализации стратегического проекта ЮФУ «Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов низкоуглеродной экономики под управлением искусственного интеллекта» в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» (нацпроект «Наука и университеты»).

Справка

В классификации водорода главным критерием является его экологичность. Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться. Для простоты каждый «сорт» обозначается цветом:

Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.

Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.

Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.

Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.

Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.