Argonne -kemister Dugan Hayes, Lin Chen, och Ryan Hadt har identifierat en snabb elektronisk process som kan hjälpa vattensplittande reaktion i koboltinnehållande katalysatorer. Koboltkatalysatorer är relativt billiga och kan ersätta dyrare ädelmetallkatalysatorer vid produktion av ren energi, framför allt solbränslen. Upphovsman:Argonne National Laboratory
Genom att dela upp en vattenmolekyl i två väteatomer och en av syre, forskare kan använda solens gränslösa energi för att göra rent bränsle. I en ny studie från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory och Harvard University, forskare har för första gången kunnat se ett särskilt viktigt steg i vattensplittringsprocessen, vilket kan föra oss närmare riklig solenergi för alla.
Klyvning av en vattenmolekyl kräver en metallkatalysator för att få reaktionen igång. Nyligen, mycket vetenskaplig uppmärksamhet har fokuserat på kobolt, en relativt riklig och billig katalysator som - under rätt omständigheter - kan fungera som en eskort till en elektronisk dans mellan väten och oxygens.
"Väsentligen, det låter dig ha en fokuserad ögonblicksbild, i motsats till att bara se en kemisk suddighet. Det är viktigt att vi bestämmer katalysatorns egenskaper på den tidsskala som elektronerna rör sig. "
"Kobolt-syreutvecklande katalysatorer är de aktiva komponenterna i teknik som konstgjorda löv och andra material där du kan skörda ljus för att driva syntesen av solbränslen, "säger Argonne postdoktoralforskare Ryan Hadt, en av författarna till studien.
Den totala vattensplittningsreaktionen har faktiskt två halvor. Forskarna fokuserade på första halvåret, kallas vattenoxidation, som kräver överföring av fyra protoner och fyra elektroner och så småningom resulterar i bildandet av en syre-syre-bindning. För denna process, oxygen behöver en tillfällig danspartner, som spelas av koboltkatalysatorn.
Men anledningen till att denna dans ännu inte är väl förstådd är att överföringarna och bildandet av bindningen sker snabbt - hela processen tar mindre än en miljarddel av en sekund. För att förstå nyanserna i bindningsåtgärden, forskarna behövde utföra röntgenabsorptionsspektroskopimätningar vid Argonnes Advanced Photon Source.
I deras analys, forskarna fokuserade på en särskilt spännande kemisk twist. I början av processen, en bro med två syreatomer förbinder två koboltjoner. Var och en av koboltjonerna, i tur och ordning, är ansluten till sin egen vattenmolekyl. Vid denna tidpunkt, saker är ganska stabila.
Den elektroniska dansen är redo att börja när en koboltjon tillför en extra positiv laddning, tillfälligt öka ett karakteristiskt antal som forskare kallar ett "oxidationstillstånd". När det gäller kobolt, oxidationstillståndet förändras, bara för ett ögonblick, från tre till fyra.
När två koboltjoner med ett oxidationstillstånd på fyra kommer i kontakt, processen börjar på allvar. Laddningsöverföringarna gör att väteatomerna i vattenmolekylerna dissocieras från sina syrebindningar, lämnar koboltatomerna bundna bara till syrejoner.
Nyckelmomentet följer direkt efteråt, när koboltcentralerna var och en får en extra elektron från de nyligen exponerade syreatomerna. När detta händer, en bindning bildas mellan de två oxigenerna, skapa ett molekylärt mellanstadium som kallas peroxid, som snabbt kan oxideras för att frigöra en dioxygenmolekyl. Elektronerna från vatten under denna process kan användas för att tillverka solbränslen.
Genom att använda den avancerade fotonkällan, en DOE Office of Science User Facility, forskarna kunde direkt mäta koboltoxidationstillstånd och sedan använda teori för att beräkna en kvantitet som kallas "utbyteskoppling, "ett kvantmekaniskt värde som identifierar förhållandet mellan elektronernas snurr som skjuts mellan syre- och koboltatomerna. Forskarna fann att dessa elektroner snurrar i motsatta riktningar - i vetenskapligt språk, de är antiferromagnetiskt kopplade.
"Antiferromagnetism spelar en viktig roll i bildandet av syre-syrebindningen, "sa Hadt, "eftersom det ger ett sätt att samtidigt överföra två elektroner för att skapa en kemisk bindning."
Argonne postdoktor och studieförfattare Dugan Hayes pekade också på den unika förmågan hos Advanced Photon Source att lösa platsen för de extraoxiderade koboltatomerna. "Väsentligen, det låter dig ha en fokuserad ögonblicksbild, i motsats till att bara se en kemisk oskärpa, "sa han." Det är viktigt att vi bestämmer katalysatorns egenskaper på den tidsskala elektronerna rör sig. "
Ett papper baserat på forskningen, "In situ -karakterisering av cofacial Co (IV) centra i Co 4 O 4 cuban:modellering av den högvärdiga aktiva platsen i syreutvecklande katalysatorer, "dök upp i den 27 mars upplagan av Förfaranden från National Academy of Sciences .
