Поиск устойчивых подходов к производству нового топлива вернул ученых к одному из самых распространенных материалов на Земле - красноватому оксиду железа в форме гематита, также известному как ржавчина.
Исследователи говорят, что ржавчина долгое время рассматривалась как потенциально привлекательный материал для расщепления солнечной воды, ключевого процесса, используемого растениями в процессе фотосинтеза. Растения используют фермент, называемый фотосистемой II (PSII), для поглощения света и расщепления воды, извлечения электронов и протонов из молекул воды и выработки атмосферного кислорода, который поддерживает жизнь на Земле.
Rust может предложить способ имитировать аспект фотосинтеза, связанный с расщеплением солнечной воды, позволяя получать топливо из воды либо путем объединения протонов и электронов для образования водорода, либо с помощью электронов и протонов для преобразования углекислого газа в углеводородное топливо. По словам ученых, проблема заключается в том, что эффективность ржавчины в многочисленных экспериментах по расщеплению воды была разочаровывающей по сравнению с ее теоретическим потенциалом. Они говорят, что отсутствует фундаментальное понимание механизма реакции, что препятствует разработке устройств для прямого солнечного расщепления воды.
Новое исследование, проведенное Виктором Батистой из Йельского университета в сотрудничестве с Джеймсом Дюррантом из Имперского колледжа в Лондоне и Майклом Гретцелем из Института химических наук и инженерии, Федеральная политехническая школа Лозанны, Лозанна, Швейцария, предлагает некоторые ответы.
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 подсказки о природе участков, отвечающих за реакционную способность на поверхности оксида.
Вычислительная работа, выполненная соавтором исследования Ке Янгом, исследователем с докторской степенью в группе Batista, идентифицировала изолированные каталитические центры - при низкой интенсивности света и двухатомном, Fe(OH)-O-Fe(OH)) каталитическое ядро - которое создает достаточную мощность окисления для извлечения электронов из воды путем накопления до трех окислительных эквивалентов (недостающих электронов) в условиях работы на 1 солнце (полная интенсивность солнечного света в ясный, яркий день). По словам исследователей, этот механизм имитирует активацию ФС II во время фотосинтеза.
«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 описывались аналогичные двухатомные катализаторы. Исследователи заявили, что открытие вместе с новым исследованием предполагает, что двухатомные каталитические ядра с двумя соседними металлическими центрами могут особенно подходить для достижения эффективного расщепления воды.
«Для получения кислорода из воды требуется многократное окисление», - сказал Дюррант. «Экспериментально ключом к нашему исследованию было использование спектроскопии оптического поглощения для измерения того, как кинетика окисления воды изменяется по мере того, как мы накапливаем больше отверстий на поверхности гематита. Это позволило нам определить законы скорости и константы скорости для реакции; например,, определяя, сколько дырок должно собраться вместе, чтобы получить доступ к стадии ограничения скорости реакции, и определяя энергию активации реакции."
Батиста и Дюррант являются авторами исследования. В команду Йельского университета входили Ян и приглашённый студент Пабло Гарридо из Institut Català d'Inverstigació Quimica, Испания. Батиста - профессор химии имени Джона Рэндольфа Хаффмана и преподаватель Йельского института энергетических наук и Йельского квантового института.
Исследование частично финансировалось Управлением научных исследований ВВС США. Работе способствовало компьютерное время, предоставленное Национальным научно-вычислительным центром энергетических исследований и Йельским центром исследовательских вычислений.