Полимер поймал солнечный свет в ловушку — держит несколько дней, потом выдаёт водородное топливо в темноте

Материал, созданный исследователями из Ульмского университета и Университета имени Фридриха Шиллера в Йене, умеет запасать энергию солнечного света и превращать её в водород спустя несколько дней. Причём для выделения водорода свет уже не нужен, реакция идёт в темноте. Авторы описали систему в журнале Nature Communications.

В основе разработки — водорастворимый редокс-активный сополимер. Сополимер — это крупная молекула, собранная из разных органических звеньев. Одни фрагменты формируют устойчивый каркас, другие отвечают за химические свойства. В данном случае в структуру встроены элементы с усиленной редокс-активностью, то есть способностью принимать и отдавать электроны. По сути, материал работает как молекулярное сочетание солнечной панели и аккумулятора: сначала он принимает электроны в ходе фотокаталитического процесса, затем хранит их и позже отдаёт для синтеза водорода.

Процесс зарядки происходит в водном растворе. В экспериментах использовали фотокатализатор на основе рутения, триэтиламин в концентрации 0,09 М и дигидрофосфат натрия 0,075 М. Концентрация сополимера составляла 225 мкМ по содержанию мономера метилвиологена, фотокатализатора — 12,5 мкМ. По данным авторов, эффективность зарядки превышает 80%, и материал способен удерживать накопленное состояние несколько суток без заметной потери заряда.

Когда требуется получить водород, в систему добавляют кислоту и катализатор выделения водорода. Накопленные в полимере электроны соединяются с протонами, и в результате образуется молекулярный водород. Эффективность этого этапа достигает 72%. Важная деталь: реакция не зависит от освещения и может проходить в темноте, поскольку энергия уже сохранена в химической форме.

Система допускает многократные циклы работы. После стадии выделения водорода раствор можно нейтрализовать, изменить pH и снова подвергнуть освещению для повторной зарядки. Полимерные редокс-реакции обратимы, поэтому материал не нужно извлекать или заново синтезировать между циклами. Переключение происходит за счёт изменения кислотности среды.

Работу сопровождает и наглядный эффект: при разрядке в кислой среде раствор меняет цвет с фиолетового на жёлтый, а при повторной зарядке под действием света возвращается к фиолетовому. Цветовая индикация отражает изменение степени окисления активных фрагментов полимера.

Проект объединяет направления, которые редко пересекаются напрямую: макромолекулярную полимерную химию и фотокатализ. По их оценке, подобные подходы могут быть востребованы в промышленности, где требуется водород по запросу. В качестве примера приводят производство стали с минимальными выбросами углерода, для которого нужен стабильный источник зелёного водорода.

Исследователи считают, что такая схема хранения солнечной энергии в химической форме может лечь в основу масштабируемых и сравнительно недорогих технологий накопления энергии. Следующий шаг — проверить устойчивость системы при увеличении объёмов и оценить её пригодность для длительной эксплуатации в прикладных условиях.