Ученые из Чешского университета Палацкого и Технического университета Остравы совместно с коллегами из мадридского Университета Сан-Пабло и Университета принцессы Нуры в Саудовской Аравии создали фотокатализатор, который может получать водород сразу из двух разных источников – из воды и из раствора аммиака. Ранее таких универсальных материалов не было: обычно катализаторы работают либо с водой, либо с аммиаком. Новая разработка делает систему более гибкой – водород можно производить из доступного сырья или одновременно очищать аммиачные стоки, получая из них топливо.
Конструкция нового катализатора довольно проста. Ученые соединили два материала – диоксид титана и сульфид цинка-индия. Первый хорошо разделяет заряды, второй – лучше поглощает видимый свет и расширяет рабочий диапазон до солнечного спектра. Вместе они образуют так называемую гетероструктуру, в которой заряды не теряются, а направленно участвуют в реакции. Сверху добавили ключевой элемент – отдельные атомы платины. Это важно: платина используется не в виде частиц, а буквально по атомам, поэтому расход дорогого металла минимальный, а эффективность при этом растет.
Когда на материал падает свет, в нем возникают заряженные частицы – электроны и положительные заряды. Они запускают химические реакции. Электроны собираются на атомах платины, где и происходит образование водорода. Дальше процесс зависит от среды. Если это вода, она расщепляется с выделением водорода, если это раствор аммиака, то он разлагается на азот и водород. Таким образом один и тот же материал может работать сразу в двух разных реакциях.
Эксперименты показали высокую эффективность катализатора. За 24 часа непрерывного облучения выход водорода составил около 108,76 миллимоля на грамм при расщеплении воды и 12,44 миллимоля на грамм при разложении аммиака. Это сопоставимо с лучшими современными фотокатализаторами и значительно выше показателей исходных материалов по отдельности. При этом система сохраняла стабильность не менее 72 часов работы практически без потери активности.
Также стоит отметить, что в случае с аммиаком не требуются дополнительные реагенты – он сам служит источником водорода. Это делает технологию особенно интересной с практической точки зрения. Аммиак – распространенный загрязнитель сточных вод, который ухудшает качество воды и нарушает баланс экосистем. В данном случае его можно не просто удалять, а превращать в полезный ресурс – чистый водород, без выбросов углекислого газа.
Созданный катализатор уже сейчас сочетает высокую эффективность и стабильность и имеет высокий потенциал для развития солнечного производства водорода. При этом следующим очевидным шагом должно стать снижение его стоимости за счет уменьшения содержания платины или ее замены более доступными материалами.
