Исследователи говорят, что ржавчина уже давно рассматривается как потенциально привлекательный материал для расщепления солнечной воды, ключевого процесса, который растения используют в фотосинтезе. Растения используют фермент, называемый фотосистемой II (ФСII), для поглощения света и расщепления воды, извлечения электронов и протонов из молекул воды и выработки атмосферного кислорода, который поддерживает жизнь на Земле.
Ржавчина может предложить способ имитировать аспект солнечного расщепления воды при фотосинтезе, позволяя генерировать топливо из воды либо путем объединения протонов и электронов для генерации водорода, либо путем использования электронов и протонов для преобразования углекислого газа в углеводородное топливо. Проблема, по словам ученых, в том, что эффективность ржавчины в многочисленных экспериментах по расщеплению воды была неутешительной по сравнению с ее теоретическим потенциалом. Они говорят, что отсутствует фундаментальное понимание механизма реакции, что не позволяет разрабатывать устройства для прямого солнечного расщепления воды.
Некоторые ответы предлагает новое исследование Виктора Батисты из Йельского университета в сотрудничестве с Джеймсом Даррантом из Имперского колледжа в Лондоне и Майклом Гратцеля из Института наук и инженерного искусства при Федеральной политехнической школе Лозанны.
Исследование проливает свет на механизм окисления воды, происходящего на границе раздела оксид металла / вода. Комбинированное вычислительное и экспериментальное исследование механизма окисления воды показало, что если вы измените интенсивность света, вы также измените механизм расщепления воды на гематите.
Исследователи говорят, что это дает ценные сведения о природе участков, ответственных за реакционную способность на поверхности оксида.
Вычислительная работа, выполненная соавтором исследования Ке Янгом, докторантом из группы Батиста, выявила изолированные каталитические центры – при низкой интенсивности и двухатомном каталитическом ядре Fe (OH) -O-Fe (OH) – – которые создают достаточную окислительную способность для извлечения электронов из воды за счет накопления до трех окислительных эквивалентов (недостающие электроны) в условиях работы на 1 солнце (полная интенсивность солнечного света в ясный, яркий день).
По словам исследователей, этот механизм имитирует активацию PSII во время фотосинтеза.
Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry.
«Объединение вычислительной и экспериментальной работы было необходимо для выяснения природы каталитических центров на довольно сложных поверхностях оксидов металлов и зависимости механизма реакции в условиях низкой и высокой интенсивности света», – сказал Батиста.
В 2018 году Батиста стал соавтором отдельного исследования, в котором были описаны аналогичные двухатомные катализаторы. Исследователи заявили, что это открытие вместе с новым исследованием предполагает, что двухатомные каталитические ядра с двумя соседними металлическими центрами могут быть особенно подходящими для достижения эффективного расщепления воды.
«Производство кислорода из воды требует многократного окисления», – сказал Даррант. «Экспериментально ключом к нашему исследованию было использование оптической абсорбционной спектроскопии для измерения того, как изменяется кинетика окисления воды по мере того, как мы накапливаем больше дырок на поверхности гематита.
Это позволило нам определить законы скорости и константы скорости реакции; например, определение того, сколько дырок должно собраться вместе, чтобы получить доступ к стадии ограничения скорости реакции, и определение энергии активации для реакции."
Батиста и Даррант – авторы исследования. В команду Йельского университета входили Ян и приглашенный студент Пабло Гарридо из Institut Catala d’Inverstigacio Quimica, Испания.
Батиста – профессор химии Джона Рэндольфа Хаффмана и преподаватель Йельского института энергетических наук и Йельского квантового института.
Исследование частично финансировалось U.S.
Управление научных исследований ВВС. В работе использовалось компьютерное время, предоставленное Национальным научно-вычислительным центром энергетических исследований и Йельским центром исследовательских вычислений.