Ученые создали материал, способный к фотокаталитическому расщеплению воды на кислород и водород, закрепив молибденовые кластеры на слоях графена (Inorg. Chem. 2019, DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b02529).
Вода — это неисчерпаемое сырье, которое можно использовать для получения водородного топлива без участия углерода, вопрос только в эффективности и стоимости этого процесса. Правильно подобранный фотокатализатор должен поглощать энергию солнечного света, при этом возбуждая электроны, и переносить их на поверхность катализатора, где происходит реакция расщепления воды.
Кластеры переходных металлов обладают необходимыми электронными свойствами для фотокаталитических реакций. А графен может эффективно переносить возбужденные электроны. Но ранее проведенные работы показали, что ковалентная сшивка переходных металлов к слоям графена создает дефекты на последнем, изменяя электропроводность и нарушая работу катализатора.
Я. Молар (Yann Molard) из университета Ренна, М. Фелиц (Marta Feliz) из Политехнического университета Валенсии и их коллеги использовали органический линкер с имидазоловой «головкой», длинной алкильной «цепью» и пиреновым «якорем» взамен прямого ковалентного взаимодействия кластера с поверхность графена. «Вы не даете кластеру и графену касаться друг друга, вы просто заставляете их взаимодействовать через линкер», — говорит Я. Молар.
В этой системе солнечный свет поглощается кластерами металлов и пиреном и генерирует электрон, мигрирующий к слою графена, который, в свою очередь, перемещает все электроны к одному металлокластеру. Электроны, достигшие поверхности молибденового кластера в возбужденном состоянии, могут участвовать в фотохимическом расщеплении воды.
Комбинация «молибден-пирен-графен» генерирует заметно больше молекул водорода, чем просто металлокластер или просто графен. Однако абсолютная производительность остается низкой, в некоторых случаях хуже на два порядка, чем в других системах, содержащих платиновые или кадмиевые катализаторы, делающие их неприменимыми в широкой практике.
По словам Молара, можно сделать многое, чтобы усовершенствовать эту систему. Так, он заинтересован в тестировании других металлокластеров, например, вольфрама. Также можно усовершенствовать кластер, повысив его устойчивость к деградации в водных средах.
Автор работы считает, что исследование имеет и более фундаментальное значение: в принципе, любой отрицательно заряженный объект может быть присоединен к графену с использованием техники нековалентной привязки. А это позволит использовать их для создания фотоэлектрических систем в освещении и дисплеях.