В ближайшем будущем ключевые элементы природы — солнечный свет, вода и воздух — способны вытеснить ископаемое топливо в процессе создания перекиси водорода, вещества, играющего колоссальную роль в современной промышленности.
Учёные из Корнеллского университета совершили прорыв, разработав инновационный способ получения этого соединения с помощью энергии Солнца. Технология открывает возможность производить перекись водорода непосредственно там, где она необходима: на промышленных предприятиях, станциях водоочистки и даже в труднодоступных локациях.
Суть открытия кроется в двух уникальных синтетических материалах, способных под действием видимого света трансформировать воду и кислород в перекись водорода. Этот метод становится экологичной заменой традиционному антрахиноновому процессу, отличающемуся высокой ресурсоёмкостью и негативным воздействием на окружающую среду.
Перекись водорода — универсальный реагент, нашедший применение в самых разных сферах: от отбеливания бумажной массы и изготовления полупроводников до обработки ран и производства бытовой химии. Нынешняя система её производства базируется на крупных химических комбинатах, где задействованы энергоёмкие технологии и потенциально опасные промежуточные соединения. При этом транспортировка концентрированного раствора сопряжена с существенными рисками.
Решением проблемы стали светочувствительные материалы ATP‑COF‑1 и ATP‑COF‑2, созданные исследовательской группой. Они эффективно поглощают видимый свет, инициируют разделение зарядов и запускают чистую химическую реакцию между водой и кислородом. По словам Амина Задехназари, ведущего автора исследования, эти соединения демонстрируют высокую стабильность, пригодны для многократного применения и открывают путь к локальному производству перекиси водорода без необходимости строительства крупных химических заводов.
Внедрение новой технологии способно кардинально изменить логистическую схему: исчезнет потребность в перевозке химикатов на дальние расстояния, что приведёт к сокращению выбросов парниковых газов, снижению энергопотребления и минимизации рисков. Местные производители смогут оперативно обеспечивать потребности водоочистных станций, медицинских учреждений, спасательных служб и предприятий, которым требуются небольшие объёмы свежего реагента.
Однако перед исследователями стоит серьёзная задача: существующий антрахиноновый метод остаётся экономически выгодным, несмотря на токсичность и экологическую небезопасность. Сейчас команда сосредоточена на том, чтобы сделать экологичную альтернативу конкурентоспособной в промышленном масштабе.
Технологическая основа разработки — ковалентные органические каркасы, представляющие собой кристаллические пористые молекулярные структуры. Их можно настраивать для эффективного поглощения света и перемещения электронов. В отличие от предыдущих фотокатализаторов, страдавших от недостаточной стабильности и низкой эффективности, новые материалы показывают впечатляющие результаты, используя исключительно солнечную энергию.
Алиреза Аббаспуррад, доцент кафедры пищевой химии и технологии ингредиентов, подчёркивает: значение открытия выходит за рамки экономической и экологической выгоды. Локальное производство перекиси водорода способно радикально снизить зависимость от масштабной логистики, связанной с перевозкой и хранением химикатов. Это не только устранит ключевые угрозы безопасности, но и проложит дорогу к децентрализованной химической промышленности.
В настоящее время учёные сосредоточены на масштабировании технологии: они совершенствуют характеристики материалов и работают над их интеграцией в практические устройства, готовые к эксплуатации в реальных условиях. Амин Задехназари называет это многообещающим стартом, отмечая, что новый метод способен трансформировать подходы к производству дезинфицирующих средств и реагентов для очистки воды, сделав их более безопасными, экологичными и доступными.
На фоне глобальной тенденции к декарбонизации химической промышленности солнечная технология может стать катализатором перемен в мировых цепочках поставок и методах производства критически важных химических соединений. Об этом свидетельствуют публикации в Nature Communications.