Revoluce v čisté energii: Nový katalyzátor „vše v jednom“ zjednodušuje výrobu vodíku ze slunce a vody

Vědci představili první „vše v jednom“ kokatalyzátor pro fotokatalytické celkové štěpení vody, což by mohlo výrazně zjednodušit výrobu čistého vodíkového paliva.

Vědci představili první „vše v jednom“ kokatalyzátor pro fotokatalytické celkové štěpení vody, což by mohlo výrazně zjednodušit výrobu čistého vodíkového paliva. Tento průlom představuje důležitý krok k praktickým technologiím, které využívají sluneční světlo a vodu k výrobě vodíku, klíčového energetického nosiče, od kterého se očekává, že bude hrát zásadní roli při budování dekarbonizované a udržitelné společnosti.

Vodík je široce považován za slibný zdroj čisté energie, protože při jeho použití jako paliva vzniká pouze voda. Mezi různými metodami výroby vodíku získává fotokatalytické celkové štěpení vody – tedy využití slunečního světla k rozdělení vody na vodík a kyslík – stále větší pozornost jako ekologicky šetrný a udržitelný přístup. Konvenční fotokatalytické systémy jsou však složité. Obvykle vyžadují samostatné kokatalyzátory pro podporu reakcí uvolňování vodíku a kyslíku, které musí být pečlivě umístěny na povrchu fotokatalyzátoru. Navíc se často přidává vrstva blokující kyslík, aby se zabránilo zpětným reakcím, které snižují celkovou účinnost. Tyto komplikované struktury ztěžují velkovýrobu a dlouhodobý provoz.

Pro překonání těchto omezení hledali vědci dlouho „vše v jednom“ kokatalyzátor – jediný materiál schopný podporovat jak reakce uvolňování vodíku, tak kyslíku a zároveň zabraňovat nežádoucím zpětným reakcím. Až dosud takový systém nebyl dosažen, protože většina kokatalyzátorů byla omezena na kovy a oxidy kovů navržené tak, aby podporovaly pouze jeden typ reakce. Výzkumná skupina vedená Ryotou Sakamotem z Tohoku University spolu s postgraduálními studenty Jingyan Guanem, Hajime Suzukim a Ryu Abem z Kjótské univerzity objevila, že vodivý dvourozměrný kovově-organický rámec (2D-MOF) známý jako Co-HHTP může fungovat jako univerzální kokatalyzátor.

Vědci modifikovali povrch fotokatalyzátoru na bázi titanátu strontnatého dopovaného hliníkem (SrTiO₃:Al) nanodoménami Co-HHTP pomocí jednoduché jednokrokové metody samoorganizace. Výsledný materiál dosáhl stabilního celkového štěpení vody bez potřeby dodatečné vrstvy blokující kyslík a prokázal zdánlivou kvantovou účinnost 31,5 % při vlnové délce 350 nanometrů. Tato práce ukazuje, že jediný materiál může efektivně podporovat jak vývoj vodíku, tak kyslíku a zároveň potlačovat zpětné reakce. Zjednodušením designu kokatalyzátoru by tento koncept mohl urychlit vývoj praktických technologií pro výrobu čistého vodíku ze slunečního světla a vody.

Kromě výsledků výkonu studie zavádí nový vědecký koncept v oblasti fotokatalýzy. Tým demonstroval, jak lze vodivé dvourozměrné kovově-organické rámce s vlastnostmi, jako je elektrická vodivost, molekulárně definované struktury, které řídí selektivitu reakcí, a vnitřní pórovitost, racionálně navrhovat pro plnění více katalytických rolí v jediném materiálu. Zjištění také poskytují slibné poznatky pro reálné aplikace. Univerzální kokatalyzátor využívá levné kovové ionty a organické ligandy a vyhýbá se drahým kovům nebo toxickému chromu, které se často používají v konvenčních systémech. V kombinaci s jednoduchou jednokrokovou výrobní metodou by tento nový přístup „vše v jednom“ mohl pomoci posunout praktické technologie pro udržitelnou výrobu vodíku a přispět k realizaci budoucí vodíkové společnosti.