Kemisk dans af koboltkatalyse kan bane vej for solbrændstoffer

Ved at opdele et vandmolekyle i to hydrogenatomer og et af oxygen, forskere kan bruge solens grænseløse energi til at lave et rent brændstof. I en ny undersøgelse fra US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og Harvard University, forskere har for første gang været i stand til at se et særligt vigtigt skridt i vandspaltningsprocessen, som kan bringe os tættere på rigelig solenergi for alle.

Opdeling af et vandmolekyle kræver en metalkatalysator for at få reaktionen i gang. For nylig, megen videnskabelig opmærksomhed har fokuseret på kobolt, en relativt rigelig og billig katalysator, der - under de rigtige omstændigheder - kan tjene som ledsager til en elektronisk dans mellem hydrogener og iltstoffer.

"Grundlæggende, det giver dig mulighed for at have et fokuseret øjebliksbillede, i modsætning til bare at se en kemisk sløring. Det er vigtigt, at vi bestemmer katalysatorens egenskaber på den tidsskala, elektronerne bevæger sig. "

"Kobolt-iltudviklende katalysatorer er de aktive komponenter i teknologier som kunstige blade og andre materialer, hvor du kan høste lys for at drive syntesen af ​​solbrændstoffer, "sagde Argonne postdoktorforsker Ryan Hadt, medforfatter af undersøgelsen.

Den samlede vandspaltningsreaktion har faktisk to halvdele. Forskerne fokuserede på første halvdel, kaldet vandoxidation, som kræver overførsel af fire protoner og fire elektroner og til sidst resulterer i dannelsen af ​​en oxygen-iltbinding. Til denne proces, oxygenserne har brug for en midlertidig dansepartner, som spilles af koboltkatalysatoren.

Men grunden til, at denne dans endnu ikke er godt forstået, er, at overførslerne og dannelsen af ​​bindingen sker hurtigt - hele processen tager mindre end en milliarddel af et sekund. For at forstå nuancerne i bindingshandlingen, forskerne havde brug for at udføre røntgenabsorptionsspektroskopimålinger ved Argonnes Advanced Photon Source.

I deres analyse, forskerne fokuserede på et særligt spændende kemisk twist. I begyndelsen af ​​processen, en bro med to iltatomer forbinder to koboltioner. Hver af koboltionerne, på tur, er forbundet med sit eget vandmolekyle. På dette tidspunkt, tingene er ret stabile.

Den elektroniske dans er klar til at begynde, når en koboltion tilføjer en ekstra positiv ladning, midlertidigt at øge et karakteristisk antal, som forskere kalder en "oxidationstilstand". I tilfælde af kobolt, oxidationstilstanden ændres, bare et øjeblik, fra tre til fire.

Når to koboltioner med en oxidationstilstand på fire kommer i kontakt, processen starter for alvor. Ladningsoverførslerne får vandmolekylernes hydrogenatomer til at dissociere fra deres iltbindinger, efterlader koboltatomer bundet bare til iltioner.

Det centrale øjeblik følger umiddelbart efter, når koboltcentrene hver modtager en ekstra elektron fra de nyligt eksponerede iltatomer. Når dette sker, der dannes en binding mellem de to iltstoffer, skabe et molekylært mellemtrin kaldet peroxid, som hurtigt kan oxideres for at frigive et dioxygenmolekyle. Elektronerne hentet fra vand under denne proces kan bruges til at lave solbrændstoffer.

Ved at bruge den avancerede fotonkilde, en DOE Office of Science brugerfacilitet, forskerne var i stand til direkte at måle koboltoxidationstilstande og derefter bruge teori til at beregne en mængde kendt som "udvekslingskobling, "en kvantemekanisk værdi, der identificerer forholdet mellem elektronernes drejninger, der skubbes mellem ilt- og koboltatomer. Forskerne fandt ud af, at disse elektroner drejer i modsatte retninger - i videnskabelig sprogbrug, de er antiferromagnetisk koblede.

"Antiferromagnetisme spiller en vigtig rolle i dannelsen af ​​oxygen-oxygenbindingen, "sagde Hadt, "da det giver en måde til samtidig at overføre to elektroner for at danne en kemisk binding."

Argonne postdoktoralforsker og studieforfatter Dugan Hayes pegede også på den avancerede fotonkildes enestående evne til at løse placeringen af ​​de ekstra-oxiderede koboltatomer. "Grundlæggende, det giver dig mulighed for at have et fokuseret øjebliksbillede, i modsætning til bare at se en kemisk sløring, "sagde han." Det er vigtigt, at vi bestemmer katalysatorens egenskaber på den tidsplan, elektronerne bevæger sig. "

Et papir baseret på forskningen, "In situ karakterisering af cofacial Co (IV) centre i Co ₄ O ₄ cuban:modellering af det højtværdige aktive sted i iltudviklende katalysatorer, "optrådte i udgaven af ​​27. marts Procedurer fra National Academy of Sciences .