В поисках новых решений для более эффективного сбора и хранения солнечной энергии ученые из США и Китая синтезировали новый двухатомный катализатор, служащий платформой для искусственного фотосинтеза. Национальная академия наук.
Команда разработала иридиевый катализатор только с двумя активными металлическими центрами. Что наиболее важно, эксперименты показали, что катализатор представляет собой четко определенную структуру, способную служить продуктивной платформой для будущих исследований в области синтеза солнечного топлива.
«Наше исследование касается технологии прямого хранения солнечной энергии», - сказал доцент кафедры химии Бостонского колледжа Дунвэй Ван, ведущий автор отчета. «Он решает критическую проблему, заключающуюся в том, что солнечная энергия является прерывистой. Он делает это путем прямого сбора солнечной энергии и хранения энергии в химических связях, подобно тому, как выполняется фотосинтез, но с более высокой эффективностью и меньшими затратами».
Исследователи потратили значительное время на одноатомные катализаторы (SAC) и редко исследовали «атомарно-дисперсный катализатор», состоящий из двух атомов. В статье под названием «Стабильные биядерные гетерогенные катализаторы из иридия, нанесенные на подложку из оксида металла для окисления солнечной воды», группа сообщает о синтезе биядерного гетерогенного катализатора из иридия простым фотохимическим способом. Катализатор демонстрирует выдающуюся стабильность и высокую активность в отношении окисления воды, важного процесса естественного и искусственного фотосинтеза.
Исследователи, занимающиеся этим аспектом катализа, сталкиваются с особыми трудностями при разработке гетерогенных катализаторов, которые широко используются в крупномасштабных промышленных химических превращениях. Большинство активных гетерогенных катализаторов часто плохо определены в своей атомной структуре, что затрудняет оценку детальных механизмов на молекулярном уровне.
Команда смогла воспользоваться преимуществами новых методов оценки одноатомных катализаторов и разработать материальную платформу для изучения важных и сложных реакций, для которых требуется более одного активного центра.
Ванг сказал, что группа исследователей поставила перед собой задачу определить, «какой может быть самая маленькая активная и самая долговечная единица гетерогенного катализатора для окисления воды». Ранее исследователи задавали этот вопрос и находили ответ только в гомогенных катализаторах, долговечность которых был плох. Впервые мы получили представление о потенциале гетерогенных катализаторов в производстве и хранении экологически чистой энергии."
Команда также провела эксперименты с рентгеновским излучением в усовершенствованном источнике света Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, которые помогли определить структуру иридиевого катализатора. В своих измерениях они использовали два метода: тонкую структуру поглощения рентгеновских лучей (EXAFS) и структуру ближнего края поглощения рентгеновских лучей (XANES). Эти эксперименты предоставляют важные данные для лучшего понимания нового катализатора.
Ванг сказал, что команда была удивлена простотой и долговечностью катализатора в сочетании с высокой активностью в отношении желаемой реакции окисления воды.
Ванг сказал, что следующие шаги в исследовании включают дальнейшую оптимизацию катализатора для практического использования и изучение областей, где катализатор может применяться для новых химических превращений.
Помимо Вана и его исследовательской группы из Бостонского колледжа, в исследовании приняли участие ученые из Калифорнийского университета в Ирвине; Йельский университет; Университет Тафтса; и Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли, а также китайские институты Университет Цинхуа и Нанкинский университет.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Министерством энергетики США, а также научными учреждениями Китая.