Letar du efter nya lösningar för att mer effektivt skörda och lagra solenergi, forskare från USA och Kina har syntetiserat en ny, tvåatomskatalysator för att fungera som en plattform för artificiell fotosyntes, laget rapporterade idag i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Teamet utvecklade en iridiumkatalysator med endast två aktiva metallcentra. Det viktigaste, experiment visade att katalysatorn var en väldefinierad struktur, som kan fungera som en produktiv plattform för framtida forskning om solbränslesyntes.

"Vår forskning rör tekniken för direkt lagring av solenergi, " sa Boston College docent i kemi Dunwei Wang, en huvudförfattare till rapporten. "Det tar itu med den kritiska utmaningen att solenergi är intermittent. Den gör det genom att direkt skörda solenergi och lagra energin i kemiska bindningar, liknar hur fotosyntesen utförs men med högre effektivitet och lägre kostnad."

Forskare har spenderat avsevärd tid på single-atom catalysts (SAC) och sällan utforskat en "atomiskt dispergerad katalysator" med två atomer. I en artikel med titeln "Stabla iridium dinukleära heterogena katalysatorer uppburna på metalloxidsubstrat för solvattenoxidation, " Teamet rapporterar att de syntetiserar en iridium dinukleär heterogen katalysator på ett enkelt fotokemiskt sätt. Katalysatorn visar enastående stabilitet och hög aktivitet mot vattenoxidation, en väsentlig process i naturlig och artificiell fotosyntes.

Forskare som fokuserar på denna aspekt av katalys möter särskilda utmaningar i utvecklingen av heterogena katalysatorer, som används ofta i storskaliga industriella kemiska omvandlingar. De flesta aktiva heterogena katalysatorer är ofta dåligt definierade i sina atomära strukturer, vilket gör det svårt att utvärdera de detaljerade mekanismerna på molekylär nivå.

Teamet kunde dra nytta av nya tekniker i utvärderingen av enatomskatalysatorer och utveckla en materialplattform för att studera viktiga och komplexa reaktioner som skulle kräva mer än en aktiv plats.

Wang sa att teamet av forskare satte sig för att bestämma "vad den minsta aktiva och mest hållbara heterogena katalysatorenheten för vattenoxidation kan vara. Tidigare, forskare har ställt denna fråga och hittat svaret endast i homogena katalysatorer, vars hållbarhet var dålig. För första gången, vi har en glimt av potentialen hos heterogena katalysatorer i produktion och lagring av ren energi."

Teamet utförde också röntgenexperiment vid Lawrence Berkeley National Laboratorys Advanced Light Source som hjälpte till att bestämma strukturen hos iridiumkatalysatorn. De använde två tekniker:röntgenabsorptionsfinstruktur (EXAFS) och röntgenabsorptionsnära kantstruktur (XANES) i sina mätningar. Dessa experiment ger kritiska bevis för att bättre förstå den nya katalysatorn.

Wang sa att laget var förvånat över enkelheten och hållbarheten hos katalysatorn, kombinerat med den höga aktiviteten mot den önskade reaktionen av vattenoxidation.

Wang sa att nästa steg i forskningen inkluderar ytterligare optimering av katalysatorn för praktisk användning och en undersökning av områden där katalysatorn kan användas för nya kemiska omvandlingar.