Det sätt på vilket en förening inspirerad av naturen producerar väte har nu för första gången beskrivits i detalj av ett internationellt forskargrupp från University of Jena, Tyskland och universitetet i Milano-Bicocca, Italien. Dessa resultat är grunden för den energieffektiva produktionen av väte som en hållbar energikälla.

Naturen som förebild

Det finns naturligt förekommande mikroorganismer som producerar väte, med hjälp av speciella enzymer som kallas hydrogenaser. "Det som är speciellt med hydrogenaser är att de genererar väte katalytiskt. Till skillnad från elektrolys, som vanligtvis utförs industriellt med användning av en dyr platinakatalysator, mikroorganismerna använder organometalliska järnföreningar, "förklarar professor Wolfgang Weigand från Institutet för oorganisk och analytisk kemi vid universitetet i Jena i Tyskland." Som energikälla, väte är naturligtvis av stort intresse. Det är därför vi vill förstå exakt hur denna katalytiska process sker, " han lägger till.

Förr, många föreningar har redan producerats över hela världen som är kemiskt modellerade på de naturligt förekommande hydrogenaserna. I samarbete med universitetet i Milano, Weigand och hans team i Jena har nu producerat en förening som har gett helt nya insikter i katalysprocessen.

"Som i naturen, vår modell är baserad på en molekyl som innehåller två järnatomer. Jämfört med den naturliga formen, dock, vi ändrade järnens kemiska miljö på ett specifikt sätt. Att vara precis, en amin ersattes av en fosfinoxid med liknande kemiska egenskaper. Vi tog därför elementet fosfor till spel. "

Detaljerad inblick i elektrokatalytisk väteproduktion

Detta gjorde det möjligt för Weigand och hans team att bättre förstå processen för vätebildning. Vatten består av positivt laddade protoner och negativt laddade hydroxidjoner.

"Vårt mål var att förstå hur dessa protoner bildar väte. Men protondonatorn i våra experiment var inte vatten, men en syra, "Weigand säger." Vi observerade att proton av syran överförs till fosfinoxiden i vår förening följt av en protonfrisättning till en av järnatomerna. En liknande process skulle också finnas i den naturliga varianten av molekylen, "tillägger han. För att balansera protonens positiva laddning och slutligen producera väte, negativt laddade elektroner introducerades i form av elektrisk ström. Med hjälp av cyklisk voltammetri och simuleringsprogramvara som utvecklats vid University of Jena, de enskilda stegen i vilka dessa protoner slutligen reducerades till fritt väte undersöktes.

"Under experimentet vi kunde faktiskt se hur vätgasen steg från lösningen i små bubblor, "noterar Weigand." De experimentella mätdata från den cykliska voltammetri och simuleringsresultaten användes sedan av forskargruppen i Milano för kvantkemiska beräkningar, "tillägger Weigand." Detta gjorde det möjligt för oss att föreslå en trolig mekanism för hur hela reaktionen fortskrider kemiskt för att producera väte - och detta för varje enskilt steg i reaktionen. Detta har aldrig gjorts tidigare med denna noggrannhet. "Gruppen publicerade resultaten och den föreslagna reaktionsvägen i den berömda tidskriften" ACS -katalys ".

Målet:Väte genom solenergi

Utifrån dessa fynd, Weigand och hans team vill nu utveckla nya föreningar som inte bara kan producera väte på ett energieffektivt sätt, men använd också hållbara energikällor för att göra det.

"Målet med Transregio Collaborative Research Center 234 'CataLight', som denna forskning är en del av, är produktion av väte genom att klyva vatten med användning av solljus, "Weigand förklarar." Med kunskapen från vår forskning, vi arbetar nu med att designa och undersöka nya katalysatorer baserade på hydrogenaserna, som slutligen aktiveras med hjälp av ljusenergi. "