Пористий кристал перетворює сонячне світло й воду на чистий водень

11 жовтня 2026 р. 22:02

11 жовтня 2026 р. 22:02

Пористий кристал, здатний за допомогою сонячного світла виробляти водень із води, може прокласти шлях до чистішого та доступнішого палива. Про розробку повідомляє SciTechDaily , посилаючись на роботу команди з Орегонського державного університету.

Сьогодні водень для паливних елементів зазвичай отримують із природного газу, і при цьому ще до потрапляння у бак автомобіля в атмосферу викидається вуглекислий газ. Альтернатива — розщеплення молекул води, але воно потребує енергії, а «зелений» водень, вироблений з використанням відновлюваної електрики, поки що суттєво дорожчий.

Новий матеріал BVR-19 і розрив у вартості водню

Хімік Кіріакос Стиліану (Kyriakos Stylianou) та його колеги створили сімейство матеріалів, які використовують світло для швидкого й ефективного виробництва водню з води. Центральним об’єктом їхньої роботи став пористий кристалічний матеріал під назвою BVR-19. Поведінка BVR-19 під дією світла дає підказки, як проектувати кращі системи для перетворення сонячної енергії на паливо.

Нині водень із води отримують, пропускаючи електрику через каталізатор — це процес електрокаталічуго розщеплення. Каталізатор прискорює реакцію, сам при цьому не витрачаючись, але загальна екологічність і вартість залежать від джерела електроенергії. Щоб конкурувати з воднем з природного газу, відновлювана електрика має бути ще й дешевою.

Стиліану наводить значний ціновий розрив: близько 1,50 долара за кілограм водню, виробленого паровою конверсією метану (стандартний процес із природного газу), проти приблизно 5 доларів за кілограм «зеленого» водню. Зближення цих показників важливе не лише для транспорту, адже водень широко застосовується у виробництві аміаку, під час рафінування металів та при виготовленні пластмас.

Метал-органічні каркаси й роль металів

У структурі BVR-19 органічні молекули з’єднують позитивно заряджені іони металів, утворюючи кристал із нанометровими порами. Такі структури називають метал-органічними каркасами (metal-organic frameworks, MOF). Вони дають хімікам велику свободу: змінюючи метал або органічні «цеглинки», можна тонко налаштовувати властивості матеріалу.

Вже синтезовано майже 100 000 різних MOF, для ще приблизно пів мільйона властивості лише прогнозовані, а загальна кількість можливих комбінацій сягає мільйонів. На цьому фоні команда Орегонського державного університету зосередилася на тому, як саме вибір металу впливає на продуктивність у реакції утворення водню.

«Змінюючи метал і майже не торкаючись решти структури, ми з’ясували, чому одні варіанти MOF працюють значно краще за інші», — пояснює Стиліану. За його словами, ці результати дають нові «правила проектування» ефективніших матеріалів для виробництва сонячного палива.

Сірка запускає фотохімічну реакцію

Ключ до роботи BVR-19 — у його реакції на світло. Коли фотони влучають у кристал, тимчасово розривається зв’язок між двома атомами сірки, утворюючи реакційноздатні сірковмісні частинки. Така відповідь і робить матеріал фотокаталізатором: він поглинає світло, переходить у стан із вищою енергією та спрямовує цю енергію на хімічну реакцію утворення водню.

«Важливу роботу виконує органічна частина», — підкреслює Стиліану. Замість того, щоб покладатися переважно на атоми металу, BVR-19 використовує сірковмісні органічні будівельні блоки для захоплення світлової енергії та перенесення електронів у потрібне місце, де й відбувається виділення водню. Це, за словами вченого, інший підхід до проектування подібних матеріалів.

Ще одна перевага полягає в тому, що BVR-19 не потребує додаткового дорогого металевого каталізатора. Це потенційно спрощує майбутні системи виробництва водню зі світла. Крім того, матеріал самочинно формується у водному розчині за кімнатної температури, що дає йому помітну «енергетичну перевагу» вже на етапі синтезу.

Крок до здешевлення зеленого водню

Щоб заправити паливний елемент автомобіля воднем, отриманим за допомогою таких кристалів, необхідно перетворити матеріальні переваги на реальну технологію масштабного та недорогого виробництва. Стиліану, який очолює Лабораторію відкриття матеріалів MaD Lab Орегонського державного університету, розглядає результати як орієнтир у цьому напрямку.

Науковець наголошує, що їхня робота дає «чіткий кресленик» для створення кращих матеріалів, здатних знизити вартість зеленого водню. У перспективі це може допомогти скоротити викиди вуглецю не лише в транспорті, а й у ключових хімічних і промислових процесах, де водень уже давно є незамінною сировиною.

Наука