Det kræver to-en to-atomskatalysator, det vil sige - at lave ilt fra vand

Søgningen efter bæredygtige metoder til fremstilling af nye brændstoffer har bragt forskere tilbage til et af de mest rigelige materialer på jorden - rødligt jernoxid i form af hæmatit, også kendt som rust.

Forskere siger, at rust længe har været set som et potentielt attraktivt materiale til opdeling af solvand, en nøgleproces, som planter anvender i fotosyntesen. Planter bruger et enzym kaldet fotosystem II (PSII) til at absorbere lys og splitte vand, ekstraktion af elektroner og protoner fra vandmolekylerne og generering af atmosfærisk ilt, der opretholder liv på Jorden.

Rust kan tilbyde en måde at efterligne solvandsopdelende aspekt ved fotosyntese, gør det muligt at generere brændstof fra vand, enten ved at kombinere protoner og elektroner til brintproduktion, eller ved at bruge elektroner og protoner til at omdanne kuldioxid til kulbrintebrændstoffer. Problemet, videnskabsfolk siger, er, at rustens ydeevne i talrige vandkløvningsforsøg har været skuffende i forhold til dets teoretiske potentiale. De siger, at der mangler en grundlæggende forståelse af reaktionsmekanismen, forhindrer udvikling af apparater til direkte spaltning af solvand.

En ny undersøgelse af Victor Batista ved Yale University i samarbejde med James Durrant fra Imperial College, London, og Michael Grätzel fra Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Schweiz, giver nogle svar.

Undersøgelsen belyser mekanismen for vandoxidation, der forekommer ved metaloxid/vand -grænsefladen. En kombineret beregnings- og eksperimentel undersøgelse af vandoxidationsmekanismen fandt ud af, at hvis du ændrer lysets intensitet, du ændrer også mekanismen for vandopdeling på hæmatit. Forskerne siger, at dette giver værdifulde tip om arten af ​​de steder, der er ansvarlige for reaktivitet på oxidoverfladen.

Beregningsarbejde udført af studieforfatter Ke Yang, en postdoktor i Batista -gruppen, identificerede isolerede katalytiske steder-under svag lysintensitet og et to-atom, Fe (OH) -O-Fe (OH) katalytisk kerne-der opbygger nok oxidationsevne til at udtrække elektroner fra vand ved at akkumulere op til tre oxiderende ækvivalenter (manglende elektroner) under 1 solens driftsforhold (solens fulde intensitet på klart, lys dag). Denne mekanisme efterligner aktiveringen af ​​PSII under fotosyntese, sagde forskerne.

Undersøgelsen fremgår af tidsskriftet Naturkemi .

"Integrationen af ​​beregnings- og eksperimentelt arbejde har været afgørende for at belyse arten af ​​de katalytiske steder på temmelig komplicerede metaloxidoverflader og afhængigheden af ​​reaktionsmekanismen under forhold med lav og høj lysintensitet, "sagde Batista.

I 2018, Batista var medforfatter til en separat undersøgelse, der beskrev lignende, to-atom katalysatorer. Forskerne sagde, at man fandt, sammen med det nye studie, antyder, at katalytiske kerner med to atomer med to tilstødende metalcentre kan være særligt egnede til at opnå effektiv vandspaltning.

"At lave ilt fra vand kræver flere oxidationer, "Sagde Durrant." Eksperimentelt, nøglen til vores undersøgelse har været at bruge optisk absorptionsspektroskopi til at måle, hvordan kinetikken ved vandoxidation ændres, når vi samler flere huller på hæmatitoverfladen. Dette har givet os mulighed for at bestemme satslove og hastighedskonstanter for reaktionen; for eksempel, bestemmelse af, hvor mange huller der skal samles for at få adgang til reaktionens hastighedsbegrænsende trin, og bestemmelse af aktiveringsenergien for reaktionen. "