Jakten på hållbara metoder för att generera nya bränslen har fört forskare tillbaka till ett av de mest förekommande materialen på jorden - rödaktig järnoxid i form av hematit, även känd som rost.

Forskare säger att rost länge har setts som ett potentiellt attraktivt material för splittring av solvatten, en nyckelprocess som växter använder i fotosyntesen. Växter använder ett enzym som kallas fotosystem II (PSII) för att absorbera ljus och dela vatten, extrahera elektroner och protoner från vattenmolekylerna och generera det atmosfäriska syre som upprätthåller livet på jorden.

Rost kan erbjuda ett sätt att efterlikna solvattenklyvningsaspekten av fotosyntes, gör det möjligt att generera bränsle från vatten, antingen genom att kombinera protoner och elektroner för vätegenerering, eller genom att använda elektronerna och protonerna för att omvandla koldioxid till kolvätebränslen. Problemet, forskare säger, är att rostens prestanda i många vattensplittande experiment har varit en besvikelse jämfört med dess teoretiska potential. De säger att en grundläggande förståelse för reaktionsmekanismen saknas, förhindra utveckling av anordningar för direkt splittring av solvatten.

En ny studie av Victor Batista vid Yale University i samarbete med James Durrant från Imperial College, London, och Michael Grätzel från Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Schweiz, ger några svar.

Studien belyser mekanismen för vattenoxidation som sker vid gränsytan mellan metalloxid och vatten. En kombinerad beräknings- och experimentell studie om vattenoxidationsmekanismen visade att om du ändrar ljusets intensitet, du ändrar också mekanismen för vattensplittring på hematit. Forskarna säger att detta ger värdefulla tips om arten av de platser som är ansvariga för reaktivitet på oxidytan.

Beräkningsarbete utfört av studiens medförfattare Ke Yang, en postdoktor i Batista-gruppen, identifierade isolerade katalytiska platser - under svag ljusintensitet och en tvåatom, Fe (OH) -O-Fe (OH) katalytisk kärna-som bygger tillräckligt med oxidationskraft för att extrahera elektroner från vatten genom att ackumulera upp till tre oxiderande ekvivalenter (saknade elektroner) under 1 solens driftförhållanden (full intensitet av solljus vid klar, ljus dag). Denna mekanism efterliknar aktiveringen av PSII under fotosyntes, sa forskarna.

Studien visas i tidskriften Naturkemi .

"Integrationen av beräknings- och experimentellt arbete har varit avgörande för att klarlägga naturen hos de katalytiska platserna på ganska komplicerade metalloxidytor och beroendet av reaktionsmekanismen under förhållanden med låg och hög ljusintensitet, sa Batista.

År 2018, Batista författade en separat studie som beskrev liknande, tvåatomskatalysatorer. Forskarna sa att hitta, tillsammans med den nya studien, föreslår att två-atomiga katalytiska kärnor med två intilliggande metallcentra kan vara särskilt lämpade för att uppnå effektiv vattenspridning.

"Att göra syre från vatten kräver flera oxidationer, " sa Durrant. "Experimentellt, Nyckeln till vår studie har varit att använda optisk absorptionsspektroskopi för att mäta hur kinetiken för vattenoxidation förändras när vi samlar fler hål på hematitytan. Detta har gjort det möjligt för oss att bestämma hastighetslagar och hastighetskonstanter för reaktionen; till exempel, bestämma hur många hål som måste samlas för att komma åt reaktionens hastighetsbegränsande steg, och bestämma aktiveringsenergin för reaktionen."