Новый двухатомный катализатор обещает дать чистую энергию искусственного фотосинтеза

В поисках новых решений для более эффективного сбора и хранения солнечной энергии ученые из США и Китая синтезировали новый двухатомный катализатор, который послужит платформой для искусственного фотосинтеза, сообщают в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Команда исследователей разработала иридиевый катализатор с двумя активными металлическими центрами. Наиболее важно, что эксперименты показали, что катализатор является четко определенной структурой, способной служить в качестве продуктивной платформы для будущих исследований синтеза солнечного топлива.

«Наши исследования касаются технологии прямого хранения солнечной энергии», — сказал Бостонский колледж, профессор химии Данвей Ван, ведущий автор отчета. «В нем рассматривается критическая проблема, связанная с тем, что солнечная энергия является прерывистой. Это происходит путем непосредственного сбора солнечной энергии и хранения энергии в химических связях, подобно тому, как выполняется фотосинтез, но с более высокой эффективностью и более низкой стоимостью».

Исследователи провели значительное время на одноатомных катализаторах (SAC), однако редко исследовали «атомно-дисперсный катализатор» с двумя атомами. В статье под названием «Стабильные иридиевые двуядерные гетерогенные катализаторы, нанесенные на металлооксидный субстрат для окисления солнечной воды», команда сообщает, что синтезируется двуядерный гетеродидный катализатор иридия простым и фотохимическим способом. Катализатор демонстрирует превосходную стабильность и высокую активность в отношении окисления воды, что является существенным процессом естественного и искусственного фотосинтеза.

Исследователи, сосредоточенные на этом аспекте катализа, сталкиваются с особыми проблемами при разработке гетерогенных катализаторов, которые широко используются в крупномасштабных промышленных химических превращениях. Наиболее активные гетерогенные катализаторы часто плохо определены в их атомных структурах, что затрудняет оценку подробных механизмов на молекулярном уровне.

Команда смогла воспользоваться новыми технологиями в оценке одноатомных катализаторов и разработать материальную платформу для изучения важных и сложных реакций, для чего потребовалось бы более одного активного места.

Данвей Ван сказал, что команда исследователей определила, «что может быть самым маленьким активным и наиболее прочным гетерогенным каталитическим агрегатом для окисления воды». Ранее исследователи задавали этот вопрос и находили ответ только в гомогенных катализаторах, долговечность которых была низкой. «В первый раз мы имеем представление о потенциале гетерогенных катализаторов в производстве и хранении чистой энергии».

Команда также провела рентгеновские эксперименты в усовершенствованном источнике света Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, который помог определить структуру иридиевого катализатора. Они использовали две методики: тонкую структуру поглощения рентгеновских лучей (EXAFS) и рентгеновскую абсорбцию вблизи краевой структуры (XANES) в своих измерениях. Эти эксперименты дают критические доказательства для лучшего понимания нового катализатора.

Данвей Ван сказал, что команда была удивлена ​​простотой и долговечностью катализатора в сочетании с высокой активностью в направлении желаемой реакции окисления воды. Следующие шаги в исследовании будут включать дальнейшую оптимизацию катализатора для практического использования и исследование тех областей, где катализатор может быть применен к новым химическим превращениям.

Больше информации: Yanyan Zhao el al., «Stable iridium dinuclear heterogeneous catalysts supported on metal-oxide substrate for solar water oxidation,» PNAS (2018). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1722137115