Растения используют свет для выработки топлива посредством фотосинтеза, преобразуя солнечную энергию в молекулы сахара. С помощью искусственного фотосинтеза учёные имитируют природу и преобразуют свет в высокоэнергетические химические вещества в поисках экологичных видов топлива. Нитриды углерода уже давно зарекомендовали себя как эффективные катализаторы в этом непрерывном поиске. Эти соединения углерода и азота используют свет для расщепления воды на составляющие её части — кислород и водород, причём водород представляет собой многообещающий возобновляемый источник энергии.
Но как именно происходит расщепление воды? Впервые исследователи зафиксировали каждый этап одной из наиболее изученных, но наименее понятных реакций за последнее десятилетие. «Это выходит за рамки ответа на давний вопрос фундаментальной науки», — утверждает главный исследователь доктор Паоло Джусто из Института коллоидов и интерфейсов Общества Макса Планка. «Изучение взаимодействия между молекулами воды и нитридами углерода в свете даёт важную информацию для развития «зелёной» энергетики».
Ключ к разгадке этой научной загадки кроется в сложных процессах, которые происходят, когда вода прилипает к поверхности нитрида углерода. До сих пор из-за разных временных масштабов многочисленных реакций было трудно составить полную картину, и учёные полагались на теоретические расчёты и ретроспективные эксперименты. Используя передовые методы спектроскопии, Джусто и его коллеги застали нитрид углерода… за делом.
Волшебство происходит на границе раздела — наноскопической границе между твёрдым нитридом углерода и молекулами жидкой воды. Нитрид углерода передаёт электронную плотность воде, образуя гибридную систему. «С этого момента вода и катализатор действуют как новый гибридный полупроводник. Как будто они объединили усилия в команде, свойства которой отличаются от свойств отдельных элементов», — рассказывает доктор Соня Жултовская.
Это запускает дальнейшие реакции, поскольку перенос частиц создаёт дисбаланс. В этом случае химические связи воды начинают ослабевать. Когда нитрид углерода поглощает свет, он использует энергию для дальнейшей дестабилизации молекул воды посредством протон-зависимого переноса электронов. «Это означает одновременный перенос положительно заряженного протона и отрицательно заряженного электрона из воды в катализатор», — объясняет доктор Даниэль Круз из Института Фрица Габера. Это промежуточное соединение стало недостающим элементом головоломки искусственного фотосинтеза: исследователи записали и проанализировали в реальном времени механизм, который в конечном итоге расщепляет воду на кислород и водород.
Это открытие сделано на уровне поверхностной химии, но имеет большое значение для разработки устойчивых энергетических решений. Хотя крупномасштабное использование водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу остаётся целью на будущее, это исследование намечает путь для тонкой настройки катализаторов и приближения к эффективному производству водорода путём расщепления воды.