Определен механизм работы улучшенных расщепляющих воду катализаторов

Химики и разработчики всего мира разрабатывают топливные элементы на солнечной энергии.

Подобные экологичные системы расщепляли бы воду днем, производя водород, который сохранялся бы и использовался в дальнейшем для производства воды и электричества.

Однако для реакции расщепления воды необходимы надежные катализаторы. Платиновые катализаторы хороши всем, кроме стоимости. В качестве более дешевых альтернатив были предложены никелевые и кобальтовые катализаторы, и все же есть еще над чем поработать. Никто так и не смог окончательно определить механизм, с которым работают кобальтовые катализаторы, что создает помехи на пути систематической разработки и создания улучшенных катализаторов.

И вот теперь химики из Калифорнийского технологического института определили доминирующий механизм для кобальтовых катализаторов. Результаты освещают путь к разработке катализаторов на основе железа, весьма доступного элемента, который сможет удовлетворить наши энергетические потребности.

«Мы работали над данным механизмом и теперь знаем, как сделать действительно великолепный катализатор из материала не дороже грязи», сказал профессор Гарри Грей. „Данная работа полностью изменила наши идеи относительно разработки катализатора“.

Результаты опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

Основной преградой на пути усовершенствования искусственных катализаторов была нехватка понимания механизма — химическая тропа, следуя которой катализатор производит водород. Как с любым многошаговым производственным процессом, химики должны знать, что включает каждая из реакций — что в нее входит, какие изменения производятся и что получается в итоге, — чтобы максимизировать эффективность.

Всего были предложены три механизма работы кобальтовых катализаторов: один, разработанный учеными из Калифорнийского технологического института (Caltech), второй, разработанный французскими исследователями, и третий, предложенный аспирантом Джиллианом Демпси. До сих пор никому не удалось доказать окончательно, какие механизмы фактически имеют место и какой из них доминирует, поскольку реакции происходят настолько быстро, что сложно определить промежуточные химические звенья, которые свидетельствовали бы в пользу конкретной реакции.

Кобальтовые катализаторы — комплексы, включающие металл, связанный с множеством функциональных групп или лиганд. В текущем исследовании постдокторант Смаранда Маринеску из Caltech сумела добавить новый набор лигандов к кобальту, приведя реакцию к замедлению до точки, где ученые могли фактические наблюдать ключевое промежуточное звено, используя ядерную магнитно-резонансную спектроскопию.

„Как только мы сумели разглядеть промежуточное звено, то смогли проследить его реакцию в реальном времени“, сказал Грей. Ученые выяснили, что доминирует механизм, предложенный Демпси. Реакция включает реактивное ключевое промежуточное звено, получающее дополнительный электрон, формируя вещество под названием гидрид кобальта (II).

Ранее Грей и ведущий автор Каролин Валдез предположили, что механизм Демпси является наиболее вероятным объяснением обнаруженных уровней активности.

„Теперь мы точно знаем, что необходимо добавить кобальтовому катализатору еще один электрон, чтобы добиться развития водорода“, сказал Грей. „Теперь мы должны начать смотреть на проекты с лигандами, которые могут принять этот дополнительный электрон, или на те, что способны сделать атомный кобальт, у которого уже есть дополнительный электрон“.

Группа Грея работает над последним подходом. Результаты дали ученым информацию, которая требуется для разработки высокоактивного железного катализатора.

„Теперь мы знаем, как изготовить эффективный катализатор“, заключил Грей.

05.09.2012