Вчені давно прагнули зрозуміти точний механізм розщеплення води за допомогою каталізаторів на основі вуглецевого нітриду. Вперше команда під керівництвом доктора Паоло Джусто зафіксувала покрокові взаємодії на межі між вуглецевим нітридом і водою, детально описавши перенесення протонів і електронів від води до каталізатора під впливом світла. Це відкриття створює критичну основу для оптимізації матеріалів каталізаторів для виробництва водню як відновлюваного джерела енергії. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature Communications.
Рослини використовують світло для генерації палива через фотосинтез, перетворюючи енергію сонця в молекули цукру. У випадку штучного фотосинтезу вчені імітують природу, перетворюючи світло у високоенергетичні хімічні сполуки з метою отримання стійких видів палива. Вуглецеві нітриди давно визнані ефективними каталізаторами в цьому напрямку. Ці сполуки вуглецю та азоту використовують світло для розщеплення води на її складові частини — кисень і водень, де водень є перспективним відновлюваним джерелом енергії.
Source
Але як саме відбувається розщеплення води? Вперше дослідники зафіксували кожен етап однієї з найбільш вивчених, але найменш зрозумілих реакцій останнього десятиліття. "Це виходить за межі відповіді на давнє питання фундаментальної науки", — стверджує головний дослідник доктор Паоло Джусто з Інституту колоїдів та інтерфейсів Макса Планка. "Розкриття взаємодії між молекулами води та вуглецевими нітридами під впливом світла надає необхідну інформацію для просування зеленої енергетики".
Ключ до розв'язання цієї наукової загадки лежить у складних процесах, які відбуваються, коли вода адгезується до поверхні вуглецевого нітриду. До цього часу різні часові масштаби багатьох залучених реакцій ускладнювали складання повної картини, і вчені покладалися на теоретичні розрахунки та ретроспективні експерименти. Використовуючи передові спектроскопічні методи, Джусто та його колеги зафіксували вуглецевий нітрид у дії.
Магія відбувається на інтерфейсі — наноскопічній межі між твердим вуглецевим нітридом і рідкими молекулами води. Вуглецевий нітрид передає електронну густину воді, утворюючи гібридну систему. "З цього моменту вода і каталізатор діють як новий, гібридний напівпровідник. Ніби вони об'єднали зусилля в команду з властивостями, відмінними від властивостей окремих елементів", — каже доктор Соня Жолтовська.
Це викликає подальші реакції, оскільки перенесення частинок створює дисбаланс. У цьому випадку хімічні зв'язки води починають слабшати. Коли вуглецевий нітрид поглинає світло, він використовує енергію для подальшої дестабілізації молекул води через протон-спарене перенесення електронів.
"Це означає одночасне перенесення позитивно зарядженого протона і негативно зарядженого електрона від води до каталізатора", — пояснює доктор Даніель Круз з Інституту Фріца Габера. Ця проміжна сполука була відсутнім елементом у пазлі штучного фотосинтезу: дослідники записали та проаналізували в реальному часі механізм, який зрештою розщеплює воду на кисень і водень.
Це відкриття стосується хімії поверхні, але має глибокі наслідки для просування стійких енергетичних рішень. Хоча широкомасштабне використання водню як альтернативи викопному паливу залишається метою на майбутнє, це дослідження окреслює дорожню карту для тонкого налаштування каталізаторів і наближення до ефективного виробництва водню.