Постоянные полуквиноновые радикалы обеспечивают эффективный фотосинтез H2O2, активируемый ближним инфракрасным светом

Превращение солнечного света в полезный очиститель

Перекись водорода — знакомый компонент аптечек и чистящих средств, но её промышленное производство по‑прежнему опирается на энергоёмкие процессы, зависящие от ископаемого топлива. В этом исследовании рассматривается способ получения перекиси водорода непосредственно из воды и кислорода с помощью солнечного света, включая ту часть солнечного спектра — ближний инфракрасный — которую большинство современных солнечных материалов не использует. Используя эту забываемую половину солнечного спектра, авторы делают шаг к более чистому и децентрализованному производству важного экологичного окислителя.

Почему важен ближний инфракрасный свет

Свет, достигающий поверхности Земли, в значительной степени представлен ближним инфракрасом — невидимым теплом, которое вы ощущаете на коже. При этом большинство фотохимических систем захватывает лишь более энергичные видимую и ультрафиолетовую части спектра. Существующие материалы, реагирующие на ближний ИК, как правило переводят энергию в низкоэнергетические «ловушки», где электронам не хватает энергии для запуска энергоёмких реакций, например превращения кислорода в перекись водорода. В итоге их эффективность в этой области невысока, и ближнеинфракрасные фотоны вносят небольшой вклад в общий химический выход. Освобождение этой неиспользуемой энергии имеет решающее значение для будущих технологий, претендующих на то, чтобы конкурировать с природным фотосинтезом по эффективности или превосходить его.

Создание более эффективной пары для сбора света

Исследователи начинают с порфириновой матрицы на основе SA‑TCPP, которая уже поглощает свет в широком диапазоне и может производить перекись водорода двумя путями: восстановлением кислорода и окислением воды. Затем они покрывают эти нановолокна крошечными частицами полидопамина — тёмного, пигментоподобного полимера, вдохновлённого химией адгезивных белков мидий и меланина. Полидопамин естественно содержит полуквиноновые радикалы — высокореактивные, но необычно долговечные молекулярные фрагменты, способные очень быстро перетаскивать электроны. При сочетании двух компонентов водородные связи помогают закрепить частицы полидопамина на порфириновых листах, создавая плотные интерфейсы, по которым фотоиндуцированные заряды могут эффективно перемещаться из одного материала в другой.

Как задействуют скрытые электроны

В чистом порфириновом материале электроны, возбужденные ближним инфракрасным светом, склонны оседать в ловушках, расположенных чуть ниже энергии, необходимой для активации кислорода. Они в основном рекомбинируют с положительными зарядами, вместо того чтобы выполнять полезную работу. Добавление полидопамина меняет эту картину. Подробные оптические и электрические измерения показывают, что в комбинированной системе эти захваченные электроны перехватываются в течение десятков фемтосекунд — квадриллионных долей секунды — полуквиноновыми центрами в полидопамине. Оказавшись там, они способствуют образованию краткоживущих радикалов, содержащих кислород, на поверхности полидопамина. Эти радикалы, в свою очередь, гораздо легче превращаются в перекись водорода при поступлении дополнительных электронов, и всё происходит без утечки промежуточных продуктов в раствор, что могло бы свести процесс на нет.

От микроскопического процесса к макроскопическому выходу

Это ультрабыстрое перенаправление энергетически бедных электронов имеет очевидные макроскопические последствия. Под полным имитационным солнечным спектром композитный материал производит перекись водорода со скоростью 3,37 миллимолей в час при солнечно‑химической эффективности 2,2 процента, что помещает его среди лучших беспредельных (безметаллических) систем, описанных на сегодняшний день. Примечательно, что чисто ближний инфракрасный свет — длины волн свыше 800 нанометров — теперь обеспечивает почти 30 процентов общей активности, а система всё ещё работает до 1020 нанометров, глубоко в инфракрасной области. Долговременные испытания под искусственным и естественным солнечным светом показывают стабильную работу в течение многих часов, а авторы демонстрируют небольшое устройство, в котором образующаяся на месте перекись водорода непрерывно разлагает красители и фармацевтические загрязнители в воде.

Что это значит для чистой химии

В своей основе работа демонстрирует, что правильные молекулярные «посредники» могут спасти низкоэнергетические, легко тратящиеся электроны и перенаправить их в полезную химию. Используя устойчивые полуквиноновые радикалы в полидопамине в роли ультрабыстрых диспетчеров, команда превращает ближний инфракрасный свет — более половины солнечного спектра — в эффективный драйвер образования перекиси водорода из одной только воды и кислорода. Этот подход не только указывает путь к более безопасным и устойчивым способам производства широко используемого окислителя, но и предлагает общую идею проектирования будущих солнечных материалов: сочетать широкополосные поглотители света с встроенными радикальными центрами, которые могут захватывать, хранить и доставлять даже самые слабые фото возбуждённые заряды туда, где они наиболее необходимы.

Цитирование: Dou, S., Zhang, Y., Xu, J. et al. Persistent semiquinone radicals enable efficient near-infrared-driven H₂O₂ photosynthesis. Nat Commun 17, 3333 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70130-x

Ключевые слова: фотосинтез перекиси водорода, фотокатализ ближнего инфракрасного диапазона, полидопаминовые полуквиноновые радикалы, пористые супрамолекулярные порфириновые катализаторы, солнечное химическое преобразование