Международная группа с участием Института коллоидов и поверхностей Общества Макса Планка в Потсдаме разработала фотокатализатор CALiK. При освещении светом с длиной волны 410 нм он произвёл примерно втрое больше перекиси водорода, чем традиционно приготовленный материал KPHI. По сравнению с лучшим испытанным катализатором с одним типом катионов, CALi, выход был примерно на 40% выше. Результаты опубликованы 22 октября 2026 года в журнале Advanced Materials.

По данным авторов, кажущийся квантовый выход CALiK составил 58%. Этот показатель отражает, какая доля поглощённых фотонов приводит к появлению электронов, участвующих в химической реакции. Опыт провели в лаборатории; новый материал напрямую не сравнивали с промышленной установкой.

Ионы задали до сборки материала

CALiK относится к углеродным нитридам класса полигептазиновых имидов (PHI). В его структуре есть ионы лития и калия. Синтез начали с органо-неорганического ионного кокристалла: ионы уже занимали в нём определённые места. При нагревании часть этого порядка сохранилась в кристаллической решётке углеродного нитрида.

При обычном синтезе ионы вводят с помощью расплавленной соли, и они распределяются менее упорядоченно. Поэтому команда сравнила CALiK с традиционно приготовленным KPHI и с CALi, в котором есть только один тип катиона. Такое сопоставление помогло оценить роль состава и расположения ионов.

Структурный анализ, спектроскопия и электрохимические измерения показали, что в CALiK заряды, возникающие под действием света, разделяются эффективнее. Они дольше остаются доступными для реакции с кислородом, а не рекомбинируют быстро, теряя энергию в виде тепла или света. Дополнительные расчёты связывают этот эффект с распределением лития: оно меняет электронное окружение материала и облегчает активацию кислорода.

Представим условный пример: если электроны и положительные заряды после освещения возникают в одном тесном участке материала, они быстро встречаются, и на реакцию с кислородом остаётся меньше времени. Если ионы помогают разделить заряды в решётке, электроны дольше доступны для этой реакции. Это лишь аналогия для объяснения механизма, а не отдельный эксперимент исследователей.

Перекись водорода применяют, в частности, для очистки сточных вод и дезинфекции. При разложении она образует воду и кислород. Однако в промышленности её по-прежнему в основном производят антрахиноновым способом. Общество Макса Планка характеризует этот процесс как энергозатратный и связанный со значительным углеродным следом. Фотокатализ рассматривают как возможную альтернативу: материал поглощает свет и использует его энергию, чтобы получить перекись водорода из кислорода и воды.

Трёхкратное преимущество CALiK относится только к сравнению с лабораторным KPHI при заданном освещении. Исследователи не приводят сопоставимых данных о производительности в промышленном масштабе, затратах, стоимости, сырье, долговременной стабильности или выбросах. Поэтому опыт не доказывает, что CALiK превосходит антрахиноновое производство.

Кроме того, расчётная часть основана на упрощённых моделях и пока не полностью описывает процессы в реальном материале. Испытание проводили при длине волны 410 нм, поэтому из приведённых данных нельзя напрямую сделать вывод о работе CALiK на солнечном свете или в промышленном реакторе. Публикация исследования доступна в формате научной статьи с DOI 10.1002/adma.75258.

Схема показывает, как заданное расположение ионов в CALiK помогает разделять световые заряды и повышает выход перекиси водорода

Фото: jdn2001cn0 / Pixabay