Использование водорода в качестве источника энергии позволит решить целый ряд проблем, связанных с добычей и переработкой ископаемого топлива — нефти, газа и угля. В первую очередь это проблемы исчерпаемости ресурсов и выбросов углекислого газа в атмосферу при их сжигании. Водород же можно получать напрямую из воды в присутствии фотокатализатора — полупроводникового материала, который инициирует протекание химической реакции под действием света. В основе фотокаталитического получения водорода лежит реакция разложения молекул воды. Однако сама по себе такая реакция протекает с низкой скоростью, поэтому для увеличения эффективности в реакционную смесь, помимо фотокатализатора, добавляют этанол, метанол или триэтаноламин, которые широко применяются в различных отраслях химической промышленности.
Фотокатализатор играет ключевую роль в процессе получения водорода, поэтому он должен быть химически устойчивым, стабильным под воздействием света, иметь большую площадь поверхности и не терять свои свойства при многократном использовании. В качестве фотокатализаторов для получения водорода используют различные химические соединения, прежде всего соединения металлов. Новый перспективный материал для фотокатализа — графитоподобный нитрид углерода, он не токсичен и химически более стабилен по сравнению с соединениями металлов. Однако применение данного материала в фотокаталитическом получении водорода ограничено из-за необходимости использовать растворы триэтаноламина, в то время как с точки зрения «зеленой» энергетики использование субстратов из растительной биомассы считается более перспективным и безопасным.
Ученые из Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН (Новосибирск) выяснили, что улучшить каталитические свойства графитоподобного нитрида углерода можно с помощью гидротермальной обработки раствором перекиси водорода. В ходе экспериментов исследователи обрабатывали фотокатализатор в растворе перекиси водорода в течение 10–18 часов при температурах от 120°С до 160°С. Помимо этого, для улучшения свойств графитоподобного нитрида углерода на его поверхность добавили платину в качестве сокатализатора.
Графическое резюме исследования. Источник: Kharina et al / Applied Surface Science, 2025
Исследователи сравнили структуру поверхности фотокатализаторов до и после обработки и пришли к выводу, что гидротермальная обработка меняет структуру поверхности и оптические свойства катализатора за счет его частичного окисления. Так, фотокатализатор после обработки имел новые функциональные группы на поверхности, большую удельную площадь поверхности и однородное распределение частиц платины.
Исследователи измерили активность полученных соединений, использовав их для получения водорода из компонента растительной биомассы — водных растворов глюкозы — при облучении видимым светом. Оказалось, что фотокатализатор на основе исходного графитоподобного нитрида углерода вовсе не способен осуществлять такое превращение. Гидротермальная обработка перекисью нитрида углерода привела к его активации для получения водорода из раствора глюкозы. При этом наиболее активным оказался фотокатализатор, обработанный при температуре 140°С, — он обеспечил наибольшую скорость реакции.
Получение водорода под действием симулятора солнечного излучения с использованием синтезированного фотокатализатора. Источник: Ангелина Журенок
Чтобы продемонстрировать универсальность предложенного метода, ученые протестировали фотокатализаторы на широко используемых для получения водорода субстратах — этаноле и триэтаноламине. Оказалось, что активность фотокатализатора после гидротермальной обработки увеличилась в 9,5 раз при использовании в растворах этанола и в 4,3 раза в растворах триэтаноламина. Это говорит о том, что фотокатализаторы на основе графитоподобного нитрида углерода после гидротермальной обработки могут применяться для получения водорода из самого разного сырья.
«Предложенный нами метод важен для разработки безопасных для человека и окружающей среды фотокатализаторов для "зеленой" энергетики. В частности, исследованные соединения позволяют получать водород, используя только возобновляемые источники энергии: воду, растительную биомассу и солнечный свет», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анна Куренкова, кандидат химических наук, научный сотрудник отдела гетерогенного катализа Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН.
