Нанокомпозиты графитоподобного карбона нитрид–восстановленный графеновый оксид (g-C3N4@r-GO) для фотокаталитического производства водорода при расщеплении воды и высокоэффективных электрохимических суперконденсаторов

Чистая энергия из повседневных элементов

Водородное топливо и быстрая перезаряжаемая система накопления энергии часто рассматриваются как два отдельных технологических вызова. В этом исследовании показано, как оба можно решить одновременно с помощью одного безметаллического материала, созданного из обильных элементов, таких как углерод и азот. Тщательно смешав светопоглощающий желтый порошок (графитоподобный карбон нитрид) с ультратонкими углеродными листами (восстановленный графеновый оксид), исследователи получили «два в одном» материал, который способен использовать солнечный свет для расщепления воды на водород и одновременно служить высокоэффективным суперконденсатором для хранения электрической энергии.

Создание «умной губки» для света и заряда

В основе работы лежит композит под названием g-C3N4@r-GO, где графитоподобный карбон нитрид (g-C3N4) объединён с листами графенового оксида, химически восстановленными для улучшения электропроводности. Сам по себе g-C3N4 поглощает свет, но плохо проводит электричество, тогда как материалы на основе графена хорошо проводят, но неэффективны в расщеплении воды. Благодаря плотному сочетанию этих двух компонентов команда создала нечто вроде электронной p–n структуры — встроенное электрическое поле, которое способствует разделению положительных и отрицательных зарядов, возникающих при воздействии света. Для настройки проводимости и степени связности графеновых листов тестировали два мягких восстановителя: витамин C (аскорбиновая кислота) и боргидрид натрия.

Заглядывая в наноархитектуру

Чтобы понять, почему один из композитов работал лучше остальных, авторы использовали набор структурных и оптических методов. Изображения, полученные в электронном микроскопе, показали, как порошки состоят из уложенных друг на друга хлопьев и стержневидных частиц; в одной из версий обнаруживались неглубокие ямы, которые могут улавливать и рекомбинировать заряды вместо того, чтобы позволять им выполнять полезную работу. Рентгеновская дифракция показала степень упорядоченности атомных слоёв, а инфракрасная и УФ–видимая спектроскопия выявили, как изменяются химические связи и характеристики поглощения света при сопряжении g-C3N4 с графеном. Лучший образец, полученный с использованием аскорбиновой кислоты, имел наименьшую эффективную ширину запрещённой зоны (энергетический порог поглощения света) и признаки сильного взаимодействия между двумя компонентами, что благоприятствует как сбору света, так и потоку электронов.

Преобразование света и воды в водородное топливо

Когда композиты помещали в воду с небольшим количеством метанола и освещали ксеноновой лампой, они производили водород с очень разными скоростями. Чистый g-C3N4 и графеновый оксид по отдельности генерировали относительно мало водорода. В то же время g-C3N4@r-GO, восстановленный витамином C, выдал 339,82 микромоля водорода в час на грамм катализатора, с кажущейся квантовой эффективностью 2,52% при 420 нанометрах. Это означает более чем в пять раз больше водорода по сравнению с некоторыми аналогами при тех же условиях. Испытания в нескольких циклах показали, что материал сохранил почти 90% своей водородопродуцирующей активности после трёх прогонов, что указывает на хорошую стабильность и возможность повторного использования без опоры на дорогие или токсичные металлы.

В роли высокоскоростного энергохранилища

Тот же композит также прессовали в электроды и погружали в щелочной раствор, чтобы проверить его характеристики как суперконденсатора — устройства, которое очень быстро сохраняет и отдаёт заряд. По стандартным электрохимическим измерениям выяснилось, что электрод g-C3N4@r-GO (аскорбиновая кислота) достиг удельной ёмкости примерно 323 фарада на грамм при низких скоростях сканирования, превзойдя несколько подобных материалов, описанных в литературе. Даже после 5000 циклов заряда–разряда при относительно высоком токе он сохранил почти 79% начальной ёмкости, что демонстрирует способность структуры выдерживать многократное использование. Слои графена обеспечивают быстрые пути для электронов, тогда как азотсодержащие участки в карбон нитриде способствуют хранению заряда через обратимые реакции с ионами в электролите.

Почему это важно для будущих энергетических систем

Для неспециалистов ключевая мысль такова: тщательно разработанные углеродные материалы могут выполнять двойную функцию в будущем чистой энергетики — они могут помогать генерировать водородное топливо из воды с помощью солнечного света и одновременно служить прочными, быстро заряжаемыми устройствами для хранения энергии. Отказавшись от драгоценных или токсичных металлов и применяя мягкую химию, такую как восстановление с помощью витамина C, исследование указывает путь к более дешёвым и устойчивым решениям для масштабного производства водорода и мощных суперконденсаторов. Хотя необходимы дальнейшие работы по безопасности, масштабированию и интеграции в реальные устройства, эти композиты g-C3N4@r-GO приближают нас к практичному безметаллическому набору инструментов как для производства, так и для хранения возобновляемой энергии.

Цитирование: Nagar, O.P., Kameliya, M., Gurbani, N. et al. Graphitic carbon nitride–reduced graphene oxide (g-C₃N₄@r-GO) nanocomposites for photocatalytic hydrogen production by water splitting and high-performance electrochemical supercapacitors. Sci Rep 16, 5465 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35069-5

Ключевые слова: производство водорода, расщепление воды, композит на основе графена, суперконденсатор, солнечная энергия