Zespół chemików z Oregon State University opracował nową klasę materiałów fotokatalitycznych, która eliminuje konieczność stosowania drogich katalizatorów na bazie metali szlachetnych, wykorzystując energię promieniowania słonecznego i reaktywność siarki do bezpośredniego rozszczepiania wody.
W pracy opublikowanej na łamach prestiżowego Journal of the American Chemical Society naukowcy skupili się na fotokatalizie – bezpośredniej konwersji energii fotonów w energię chemiczną za pośrednictwem struktur metaloorganicznych (Metal-Organic Frameworks, MOF). Są to porowate, krystaliczne sieci składające się z dodatnio naładowanych jonów metali spiętych organicznymi łącznikami.
Zamiast polegać na rzadkich i kosztownych metalach szlachetnych pełniących rolę tradycyjnych centrów aktywnych, badacze z Materials Discovery Laboratory pod kierunkiem prof. Kyriakosa Stylianou zsyntetyzowali nowatorską strukturę oznaczoną symbolem BVR-19, w której mechanizm katalityczny przeniesiono na organiczną część szkieletu.
Kluczową innowacją struktury BVR-19 jest obecność mostków siarka–siarka (S–S) wbudowanych w linkery organiczne. Pod wpływem absorpcji światła słonecznego wiązania te ulegają fotolitycznemu zerwaniu, generując wysoce reaktywne formy siarki zdolne do efektywnego transferu elektronów bezpośrednio zaangażowanych w redukcję protonów do gazowego wodoru. W takim układzie węzły metaliczne pełnią jedynie rolę rusztowania strukturalnego, a sam proces fotoaktywacji i transportu ładunku napędzany jest przez architekturę organiczną, co drastycznie obniża bariery surowcowe całego procesu technologicznego.
Dodatkowym atutem materiału BVR-19 jest łatwość jego syntezy w temperaturze pokojowej, co stanowi istotną przewagę ekonomiczną przy ewentualnym skalowaniu technologii do poziomu przemysłowego. Badacze wykazali, że modyfikując rodzaj zastosowanego powszechnego metalu przy zachowaniu identycznej architektury łączników siarkowych, można precyzyjnie modulować wydajność układu. To z kolei pozwala sformułować ogólne reguły projektowe dla nowej generacji słonecznych reaktorów paliwowych. Odkrycie to przybliża perspektywę opłacalnej produkcji bezemisyjnego wodoru bezpośrednio ze słońca i wody, bez pośrednictwa zewnętrznych elektrolizerów i kosztownej infrastruktury konwersji prądu.
