Новый COF-материал удерживает разделённые заряды в 1000 раз дольше

Исследователи Института материаловедения и инженерии в Нинбо (NIMTE) совместно с коллегами из Технического института физики и химии Китайской академии наук разработали ковалентный органический каркас — COF — с жёсткими кумариновыми связями. Материал предназначен для фотокаталитического получения водорода: поглощённый свет создаёт заряды, которые участвуют в химической реакции.

Работа опубликована 8 сентября 2026 года в журнале Nature Synthesis. Издание Interesting Engineering рассказало об исследовании 14 сентября. Ключевой результат относится к динамике зарядов внутри материала: состояние с разделёнными электроном и дыркой сохраняется приблизительно в 1000 раз дольше, чем в сравниваемом COF с иминными связями.

Почему важна структура органического каркаса

COF представляет собой упорядоченную пористую структуру, построенную из органических молекул, соединённых ковалентными связями. Меняя строительные блоки и связи между ними, исследователи могут управлять свойствами такого материала.

Для фотокатализатора недостаточно поглотить свет. Возникшие электрон и дырка должны успеть участвовать в полезном процессе. Если они быстро рекомбинируют, часть поглощённой энергии теряется, а эффективность образования водорода снижается.

По сообщению NIMTE, гибкие связи в обычных сопряжённых COF способны поворачиваться относительно плоскости каркаса. Такие движения нарушают электронное сопряжение и усиливают потери энергии. Команда ввела более жёсткое плоское кумариновое звено, используя одностадийную поликонденсацию. Новый тип связи уменьшает структурные колебания и способствует делокализации электронов.

Что означает увеличение времени жизни в 1000 раз

В аннотации научной статьи приведены конкретные значения: время жизни долгоживущего состояния с разделёнными зарядами составило 1080 пикосекунд для кумаринового COF и 1,07 пикосекунды для иминного аналога. Измерения выполнены методом спектроскопии переходного поглощения.

Пикосекунда — одна триллионная доля секунды. Эти интервалы очень малы в повседневном масштабе, но существенны для переноса электронов в фотокатализаторе. Более длительное разделение зарядов даёт им дополнительное время для участия в реакции.

Речь идёт о времени жизни определённого электронного состояния. Этот результат сам по себе не означает, что материал производит в 1000 раз больше водорода, и не описывает срок службы катализатора или продолжительность хранения энергии в аккумуляторе.

Каковы результаты получения водорода

В эксперименте использовали наночастицы платины как сокатализатор. Согласно работе, фотогенерированные электроны передавались от органического каркаса к платине примерно за 407 пикосекунд. Платина помогает направить эти электроны на восстановление протонов и образование молекулярного водорода.

• При возбуждении светом с длиной волны 440 нм скорость получения водорода достигла 531,2 ммоль на грамм катализатора в час.
• Кажущийся квантовый выход при 405 нм составил 37,95%.
• В пресс-релизе NIMTE также указана скорость 166 ммоль на грамм в час при видимом свете с длинами волн более 420 нм.

Длина волны и условия освещения здесь принципиальны: результаты разных режимов нельзя считать взаимозаменяемыми. Скорость, нормированная на массу катализатора, характеризует лабораторный опыт и не является готовым прогнозом производительности промышленной установки.

Почему квантовый выход не равен КПД станции

Квантовый выход оценивает использование фотонов в заданном эксперименте. Значение 37,95% при 405 нм нельзя переносить на общую эффективность преобразования солнечной энергии в водород. Для такой оценки нужны данные о полном спектре и мощности излучения, энергетическом балансе и устройстве реактора.

Разработка показывает, как химия связей внутри органического каркаса влияет на разделение зарядов и фотокаталитическую активность. Это результат исследования материала, а не сообщение о вводе коммерческой системы производства водорода.

Для практического применения потребуется оценить долговременную стабильность катализатора, расход и возможность восстановления компонентов, стоимость платины, работу при естественном солнечном освещении и масштабирование реактора. Отдельно необходимо подтвердить характеристики полного процесса получения водорода, включая используемые реагенты и последующее разделение продуктов.

Иллюстрация: сравнение COF с иминными, винильными и кумариновыми связями. Автор изображения — NIMTE; опубликовано в пресс-релизе Китайской академии наук, републикация Phys.org.

Русская редакционная версия по материалу Interesting Engineering с проверкой данных по Nature Synthesis и пресс-релизу исследователей.