Поиск рациональных подходов к созданию новых видов топлива привело ученых к одному из самых распространенных материалов на Земле-красноватая окись железа в форме гематита, также известный как ржавчина.
Исследователи говорят, что ржавчина уже давно рассматривается как потенциально привлекательный материал для расщепления воды с помощью солнечной энергии, важнейший процесс, который растения используют в фотосинтезе. Растения используют фермент называется фотосистемы II (ФС II) для поглощения света и разделения воды, извлечения электронов и протонов от молекул воды и генерации кислорода воздуха, которое поддерживает жизнь на Земле.
Ржавчина может предложить способ, чтобы имитировать солнечного расщепления воды аспект фотосинтеза, что позволяет топливо, получаемое из воды, либо путем сочетания протонов и электронов для генерации водорода, или с помощью электронов и протонов, чтобы преобразовать углекислый газ в углеводородное топливо. Проблема, говорят ученые, является представление, что ржавчина в многочисленные воды-расщепление экспериментов был разочаровывающим по сравнению с ее теоретический потенциал. Они говорят, что фундаментальное понимание механизма реакции не хватает, предотвращая развитие устройств для прямого расщепления воды с помощью солнечной энергии.
Новое исследование Виктор Батиста в Йельском университете в сотрудничестве с Джеймс Дюран из Имперского колледжа, Лондон, и Michael Grätzel из Института наук ДЕЗ Эт Ingénierie Chimiques, политехническая школа Лозанны, Лозанна, Швейцария, предлагает некоторые ответы.
Исследование проливает свет на механизм окисления воды, протекающие на границе металл окисел/воды. Комбинированное теоретическое и экспериментальное исследование механизма окисления воды установлено, что при изменении интенсивности света, можно также изменить механизм расщепления воды на гематит. По словам исследователей, это дает ценные указания о характере участков, ответственных за активность на поверхности оксида.
Вычислительных работ, выполняемых соавтор исследования К. Янг, научный сотрудник Батиста группы, выявлены изолированные каталитические сайты — при низкой интенсивности света и атома, Фе(о)-о-Фе(о) каталитическое ядро — это построить достаточно окисления энергии для извлечения электронов из воды, накапливая до трех окислительных эквивалентов (недостающие электроны) под 1 ВС условия эксплуатации (полной интенсивности солнечного света в ясный, яркий день). Этот механизм имитирует активацию ФС II при фотосинтезе, говорят исследователи.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Химия природы.
«Интеграция вычислительных и экспериментальных работ имеет принципиальное значение для выяснения природы каталитической сайты достаточно сложный окиси металла поверхностей и зависимость механизма реакции при низкой и высокой интенсивности света условия», — сказал Батиста.
В 2018 году Батиста стал соавтором отдельное исследование, в котором описала похожи, два-атом катализатора. Исследователи заявили, что нахождение вместе с Новое исследование показывает, что два атома каталитического ядра с двумя соседними металлическими центрами может быть особенно уместным для достижения эффективного расщепления воды.
«Кислород из воды требует многократного окисления», — сказал Дюрант. «Экспериментально, ключевых для нашего исследования было с помощью оптической спектроскопии поглощения для измерения кинетики изменения окисляемости воды, как мы накапливаем больше отверстия на поверхности гематита. Это позволило нам определить уровень законов и констант скорости реакции; например, чтобы определить, сколько отверстий придется объединиться, чтобы получить доступ к которой лимитирующей стадией реакции и определение энергии активации для реакции».
Батиста и Дюрант соответствующих авторов исследования. Йель входит Ян и приезжий студент Пабло Гарридо из каталонский институт д’Inverstigació компании Quimica, Испания. Батиста-это Джон Хаффман Рэндольф профессором химии и членом факультета Йельского Института энергетики и наук Йельского Института квантовой.
Исследование было частично финансируется управлением ВВС США научно-исследовательских работ. Работа на базе компьютерных времени, предусмотренного Национальный исследовательский энергетический научно-вычислительный центр и Йельский центр научно-исследовательский вычислительный.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!