Солнечный свет помог получить перекись водорода из воды и кислорода

Учёные Аргоннской национальной лаборатории Минэнерго США совместно с коллегами из Японии разработали слоистый нано-биогибрид, который под действием света способен превращать воду и кислород из воздуха в перекись водорода.

Результаты опубликованы в Journal of the American Chemical Society. Авторы рассматривают разработку как потенциально более мягкий по условиям способ получения H₂O₂ по сравнению с промышленными технологиями, которые требуют значительных энергетических затрат и сложных каталитических систем.

Полупроводник объединили с «биологической солнечной панелью»

Основой материала стали слоистые нанолисты толщиной около 200 нанометров. Они состоят из оксихлорида висмута — полупроводника с каталитическими свойствами — и фрагментов так называемой пурпурной мембраны, полученной из солелюбивых архей.

Эта мембрана содержит светочувствительные компоненты и при освещении участвует в переносе протонов и электронов. В гибридной системе она работает как дополнительный светособирающий элемент и помогает направлять перенос заряда на границе с полупроводником.

Именно устройство этого интерфейса оказалось ключевым: простого смешивания биологического и неорганического компонентов недостаточно, чтобы получить нужную реакцию.

Выход перекиси вырос более чем в пять раз

При освещении гибридная система использует воду и кислород для образования перекиси водорода.

По данным авторов, нано-биогибрид производил более чем в пять раз больше H₂O₂, чем один оксихлорид висмута при сопоставимых условиях.

Эксперименты проводились при обычных температурах и давлениях, без необходимости в экстремальных режимах.

Для химической промышленности это принципиально важно: перекись водорода широко используется как окислитель, отбеливающий и дезинфицирующий агент, но её традиционное производство остаётся энергоёмким и централизованным.

Одновременно система перерабатывает этиленгликоль

Авторы добавили в процесс ещё одну реакцию. Параллельно с получением перекиси водорода система окисляла этиленгликоль — распространённое и сравнительно дешёвое химическое сырьё.

В результате образовывались более ценные соединения, в том числе гликолевый альдегид, глиоксаль и муравьиная кислота.

Такой подход позволяет использовать сразу обе стороны фотокаталитического процесса, а не тратить часть химической энергии впустую.

До промышленной технологии ещё далеко

Работа пока относится к фундаментальной и лабораторной стадии. Исследователи показали принцип действия материала и выигрыш по эффективности относительно исходного полупроводника, но не продемонстрировали промышленную установку или экономику масштабного производства.

Для практического применения ещё потребуется оценить долговечность биологического компонента, устойчивость материала при длительной работе, выход продукта на единицу площади, стоимость изготовления и возможность многократного использования.

Тем не менее сама архитектура интересна тем, что объединяет биологический светосбор и неорганический фотокатализ в одной системе. Авторы считают, что подобный принцип можно адаптировать и для других химических процессов — например, получения компонентов топлива или удобрений.