Световой катализатор CALiK делает производство перекиси водорода в 3 раза эффективнее

Ученые из Института коллоидов и интерфейсов Общества Макса Планка под руководством Кристиана Пеликано разработали новый световой катализатор CALiK, который делает устойчивое производство перекиси водорода значительно более эффективным. Исследование, опубликованное в журнале Advanced Materials показало, что кристаллический нитрид углерода с уникальной ионной структурой достигает квантового выхода 58 процентов при длине волны 410 нанометров и производит примерно в 3 раза больше перекиси водорода по сравнению с традиционными материалами.

Перекись водорода является универсальным химическим сырьем, которое широко используется в промышленности, медицине и экологических технологиях. Традиционный метод ее производства, известный как антрахиноновый процесс, требует больших энергозатрат, использования органических растворителей и приводит к значительным выбросам углекислого газа. Устойчивая альтернатива заключается в использовании солнечного света для прямого синтеза перекиси водорода из воды и кислорода, но до сих пор эффективность таких фотокаталитических систем оставалась недостаточной для промышленного применения. Новое открытие может изменить эту ситуацию.

Как был создан катализатор CALiK

Исследовательская группа SunThesis под руководством Кристиана Пеликано сосредоточила усилия на разработке кристаллических нитридов углерода, относящихся к классу полигептазинимидов. Первый автор работы Анна Ло Прести, химик, работающий над диссертацией по этой теме, добавила небольшое количество аммонийной соли к известному прекурсор-материалу.

Этот простой шаг позволил команде запрограммировать пространственную организацию ионов в получаемом материале. Пространственное расположение ионов в оптимизированном материале имеет значительное влияние на его каталитические свойства.

Полученный ионный нитрид углерода CALiK использует энергию света для запуска фотосинтетической реакции, в результате которой из воды и кислорода образуется перекись водорода. Материал действует как полупроводник, поглощающий фотоны и генерирующий электроны и дырки, которые затем участвуют в химических превращениях на поверхности катализатора. Уникальная кристаллическая структура CALiK обеспечивает эффективное разделение зарядов и их транспортировку к активным центрам, где происходит образование перекиси водорода.

По словам авторов исследования, пространственная организация ионов в оптимизированном материале играет решающую роль в его каталитической активности. Первый автор работы Анна Ло Прести отмечает, что использование ионного сокристалла для программирования пространственной ионной организации представляет собой новый подход к дизайну фотокатализаторов. Такой метод позволяет точно контролировать структуру материала на атомном уровне, что приводит к значительному улучшению его свойств.

Результирующий ионный нитрид углерода CALiK демонстрирует улучшенную фотокаталитическую активность в производстве перекиси водорода и достигает кажущегося квантового выхода 58 процентов при длине волны 410 нанометров.

Этот показатель является одним из самых высоких среди зарегистрированных для безметаллических нитридов углерода и превосходит эталонные современные аналоги. В тестовых условиях катализатор CALiK производил примерно в 3 раза больше перекиси водорода, чем традиционный сравнительный образец, что демонстрирует значительный прогресс в области устойчивого химического синтеза.

Перспективы промышленного применения

Разработка эффективных фотокаталитических систем для производства перекиси водорода открывает путь к децентрализованному производству этого важного химического вещества с использованием солнечной энергии. В отличие от традиционного антрахинонового процесса, который требует крупных централизованных установок, фотокаталитический подход может быть реализован в небольших модульных системах. Это особенно важно для удаленных регионов и развивающихся стран, где потребность в чистой воде и дезинфицирующих средствах высока, а доступ к крупным химическим производствам ограничен.

В результате проведенного исследования ученые создали новый класс кристаллических нитридов углерода с программируемой ионной структурой, который демонстрирует рекордную эффективность в фотокаталитическом производстве перекиси водорода. Катализатор CALiK достигает квантового выхода 58 процентов и производит в 3 раза больше продукта по сравнению с традиционными материалами. Это открытие открывает новые возможности для устойчивого химического синтеза с использованием солнечной энергии и может привести к созданию экологически чистых технологий производства важных промышленных химикатов.