Производство водорода от солнечной энергии путём расщепления морской воды при атмосферном давлении

Преобразование морской воды и солнечного света в чистое топливо

Большая часть воды на Земле — солёная, однако почти все технологии расщепления воды для получения водорода требуют очищенной пресной воды и сложного оборудования. В этом исследовании описан новый твёрдый материал, который способен использовать обычную морскую воду и солнечный свет при обычном атмосферном давлении для эффективного производства водорода. Путём перестройки путей переноса зарядов внутри популярного фотокатализатора исследователи приблизились к созданию масштабируемых прибрежных «солнечных топливных ферм», превращающих океаны в обширный возобновляемый источник энергии.

Почему морская вода важна для будущей энергетики

Водород — чистое топливо: при сгорании он даёт воду вместо углекислого газа. Один из перспективных способов получения водорода — использовать светопоглощающий твёрдый материал, который расщепляет воду на водород и кислород. Однако большинство существующих систем требуют тщательно очищенной воды и часто работают в условиях пониженного давления, чтобы предотвратить обратные реакции. Такое сочетание дорого и трудно масштабируется до огромных площадей, необходимых для значимого производства энергии. Поскольку около 96,5% воды на планете содержится в океанах, практичная технология должна работать непосредственно с морской водой, на открытом воздухе, при нормальном давлении.

Создание лучшего светочувствительного катализатора

Команда сосредоточилась на полимерном углеродном нитриде — бесметалльном, относительно недорогом материале, способном приводить к образованию водорода под воздействием света. Его главным слабым местом является сильное притяжение между электрон-дырочными парами после поглощения света, в результате чего они часто рекомбинируют прежде, чем совершат полезную химию. Чтобы устранить это, исследователи присоединили богатыe электронами «пиреновые» фрагменты к ультратонким листам углеродного нитрида, используя небольшие ароматические мостики, называемые π-мостами. Так получилась система «донор–мост–акцептор», в которой электроны естественным образом смещаются от пиреновых доноров в сеть углеродного нитрида, создавая внутренний толчок‑тягу зарядов по всему материалу.

Как новый материал работает в морской воде

Среди нескольких разработок лучше всех показал себя вариант с бифенильным мостиком, названный UPy2. Детальные оптические и ультрабыстрые лазерные измерения показали, что UPy2 снижает энергию, удерживающую электрон‑дырочные пары вместе, и значительно увеличивает время жизни разделённых зарядов. Иными словами, после возбуждения материала светом электроны и дырки разъединяются и остаются раздельно достаточно долго, чтобы участвовать в химических реакциях. Встроенное внутреннее электрическое поле, возникающее в результате конструкции донор–мост–акцептор, помогает направлять электроны в области, где может образовываться водород, а дырки — к участкам, где их можно безопасно поглотить.

Ионы морской воды как скрытые помощники

Настоящая морская вода содержит натрий, магний, кальций и другие ионы, а также органическую вспомогательную молекулу триэтаноламин, использованную здесь для удаления дырок. Расчёты и эксперименты указывают на то, что переработанный углеродный нитрид накапливает дополнительные электроны вокруг своих кольцевых «гептазиновых» звеньев. Этот дополнительный отрицательный заряд особенно хорошо притягивает положительно заряженные комплексы металлов с триэтаноламином из морской воды. После присоединения эти комплексы быстро удаляют дырки, что дополнительно снижает рекомбинацию и позволяет большему числу электронов направляться на превращение протонов из воды в молекулярный водород. Даже образующиеся на поверхности магниевые соединения, по-видимому, содействуют переносу зарядов, а не просто блокируют катализатор.

От лабораторного реактора к освещённой морской воде

В контролируемых испытаниях при моделированном солнечном свете UPy2 обеспечивал производство водорода из природной морской воды с скоростями, значительно превосходящими обычный углеродный нитрид, и делал это на открытом воздухе без защитного газа. Затем исследователи увеличили масштаб до неглубокого дискового реактора шириной 20 сантиметров, заполненного морской водой и установленного на открытом воздухе. При реальном солнечном свете эта простая установка производила достаточно водорода, чтобы его можно было собрать, проанализировать и даже поджечь — всё при атмосферном давлении. Работа демонстрирует, что при тщательном управлении перемещением светогенерируемых зарядов внутри твёрдого тела и использовании ионов, уже присутствующих в морской воде, можно превратить обычный, стабильный материал в практичную платформу для крупномасштабного солнечного производства водорода из моря.

Цитирование: Li, K., Xiao, T., Tang, J. et al. Solar hydrogen production through ambient-pressure seawater splitting. Nat Commun 17, 2836 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69583-x

Ключевые слова: производство водорода из морской воды, солнечные топлива, дизайн фотокатализатора, углеродистый нитрид, зелёная энергия