Перекись водорода — важный и экологичный окислитель, но способ ее получения через антрахинон слишком сложен, требует много энергии и создает опасные отходы. Ученые ищут более чистую альтернативу, используя солнечный свет и фотокатализаторы. Особый интерес представляют органические полимеры, в частности ковалентные органические каркасы. Их структуру можно настраивать, они сделаны из доступных элементов и работают под действием видимого света.

Хотя последние разработки (например, каркасы с оптимизированной полярностью, фтором или сульфоновыми группами) позволили увеличить выход перекиси и продлить работу катализатора до 336 часов, проблема долговечности остается острой. Большинство систем выдерживают меньше 200 часов из-за медленного расходования так называемых «дырок» — положительных зарядов, которые накапливаются, разрывают химические связи и разрушают сам материал. Это происходит из-за дисбаланса: реакция восстановления кислорода (РВК) идет быстро, а реакция окисления воды (РОВ) — слишком медленно.

Группа ученых под руководством профессора Биен Тана, доктора Сяоянь Ван и профессора Сюань Яна из Хуачжунского университета науки и технологий создала новый фотокатализатор для получения перекиси водорода. В его структуру ввели обратимые гидрохиноновые группы. Получившийся материал, Tz-QH-COF, сбалансировал скорости ключевых реакций и предотвратил окислительное разрушение катализатора, показав рекордную стабильность. Результаты работы опубликованы в журнале Chinese Journal of Catalysis.

Синтез провели методом сольвотермальной конденсации. Введение гидрохинонового звена (QH) в структуру каркаса повысило окислительный потенциал, улучшило разделение зарядов и сродство к воде, что в итоге усилило фотокаталитическую активность. Под видимым светом Tz-QH-COF демонстрирует высокую скорость производства H₂O₂ — 937 микромоль в час в чистой воде и сохраняет активность на протяжении 528 часов, что намного превосходит предыдущие рекорды для органических фотокатализаторов. Применяя стратегию «переключения атмосферы» (циклически меняя кислород на азот), ученые накопили 18.6 миллимоля перекиси за 120 часов, подтвердив выдающуюся стабильность.

Исследования с помощью in situ ATR-SEIRAS и расчеты DFT раскрыли механизм стабилизации:

• В атмосфере кислорода фотоактивированный гидрохинон (QH) окисляется до бензохинона (Q), что запускает двухэлектронное восстановление O₂ до H₂O₂.
• В атмосфере азота хинон (Q) восстанавливается обратно до гидрохинона (QH) за счет реакции окисления воды.

Этот обратимый цикл QH/Q динамически согласовывает разную скорость РВК и РОВ, потребляя избыточные «дырки» и полностью предотвращая фотокоррозию. Работа предлагает стратегию на молекулярном уровне для создания долговечных фотокатализаторов синтеза перекиси водорода на солнечной энергии.

Реальная польза этой работы выходит далеко за рамки академических публикаций. Если технологию удастся масштабировать, это может привести к созданию компактных, автономных и экологически чистых установок для локального производства перекиси водорода. Представьте себе:

• Очистные сооружения или целлюлозно-бумажные комбинаты, которые прямо на месте, используя лишь солнечный свет, воздух и воду, производят необходимый им окислитель для отбеливания или обеззараживания, отказываясь от опасной логистики концентрированной H₂O₂.
• Удаленные поселки или полевые госпитали, обеспечивающие себя дезинфектантом без сложных цепочек поставок.
• Фундамент для новой «зеленой» химической индустрии, где многие процессы окисления будут строиться вокруг безопасного и дешевого источника окислителя, получаемого из возобновляемых ресурсов.

Основной вопрос, на который исследование пока не дает ответа, — это экономическая и энергетическая эффективность процесса в масштабах, приближенных к реальным. Высокая скорость производства в микромолях на грамм катализатора в лабораторных условиях — это первый, хоть и блестящий, шаг. Но для практики критически важны:

• Стоимость синтеза самого COF: Насколько сложен и дорог процесс создания этого высокоорганизованного материала с гидрохиноновыми группами по сравнению с традиционными фотокатализаторами?
• Энергозатраты на «переключение атмосферы»: Стратегия с циклами O₂/N₂ гениальна для стабилизации, но на промышленном реакторе прокачивать и менять газы — это дополнительные и немалые энергозатраты. Не съедят ли они всю выгоду от солнечного света?
• Плотность потока солнечной энергии: Лабораторные ламы — это одно, а реальный солнечный свет, с его переменной интенсивностью и спектром, — другое. Как поведет себя система в таких условиях?

Таким образом, исследование решает ключевую научную проблему долговечности, но до технологического прорыва необходим следующий этап — инженерно-техническая проработка и масштабирование.

Ранее ученые заморозили химическую реакцию.