Этот «односайтовый» катализатор — то есть вся последовательность реакций происходит на единственном каталитическом сайте одной молекулы — является первым, который соответствует эффективности каталитических центров, которые управляют этой реакцией в природе. Конструкция с одной площадкой и высокая эффективность значительно увеличивают потенциал для создания эффективных устройств преобразования солнечной энергии в топливо.«Конечная цель состоит в том, чтобы разбить эти молекулярные строительные блоки — протоны и электроны — для производства топлива, такого как водород», — сказал Дэвид Шаффер, научный сотрудник из Брукхейвена и ведущий автор статьи с описанием работы в Journal of the Американское химическое общество. «Чем эффективнее цикл окисления воды, тем больше энергии мы можем сохранить».
Но разбить молекулы воды на части непросто.«Вода очень стабильна», — сказал химик из Брукхейвена Хавьер Консепсьон, возглавлявший исследовательскую группу. «Вода может претерпевать множество циклов кипения / конденсации и остается в виде H2O. Чтобы вывести протоны и электроны, нам нужно заставить молекулы воды реагировать друг с другом».
Катализатор действует как химический обработчик, перемещая активы молекул воды — электроны, ионы водорода (протоны) и атомы кислорода — чтобы вызвать реакцию.Новая конструкция катализатора основана на технологии, разработанной группой в прошлом году под руководством аспиранта Янь Се, который также был одноцентровым катализатором со всеми компонентами, необходимыми для реакции на одной молекуле. Этот подход привлекателен, потому что ученые могут оптимизировать расположение различных частей, чтобы реагирующие молекулы собирались вместе правильным образом.
Такие катализаторы не зависят от свободной диффузии молекул в растворе для осуществления реакций, поэтому они, как правило, продолжают функционировать, даже будучи прикрепленными к поверхности, как это было бы в реальных устройствах.«Мы использовали компьютерное моделирование, чтобы изучить реакции на теоретическом уровне, чтобы помочь нам спроектировать наши молекулы», — сказал Консепсьон. «Из расчетов мы имеем представление о том, что будет работать, а что нет, что экономит время, прежде чем мы попадем в лабораторию».Как в конструкции Се, так и в новом усовершенствовании, в основе молекулы лежит металл, окруженный другими компонентами, которые ученые могут выбрать, чтобы придать катализатору особые свойства. Реакция начинается с окисления металла, который отталкивает электроны от кислорода на молекуле воды.
Остается «положительно заряженный» или «активированный» кислород и два положительно заряженных атома водорода (протонов).«Удаление электронов облегчает высвобождение протонов. Но вам нужно, чтобы эти протоны куда-то уходили.
И будет более эффективно, если вы удалите электроны и протоны одновременно, чтобы предотвратить накопление избыточных зарядов», — сказал Консепсьон. «Итак, Се добавил фосфонатные группы в качестве лигандов к металлу, чтобы действовать как основание, которое будет принимать эти протоны», — пояснил он. Эти фосфонатные группы также облегчили окисление металла, прежде всего, для удаления электронов.Но проблема все еще оставалась.
Чтобы активировать молекулу H2O, вам сначала нужно, чтобы она связалась с атомом металла в центре катализатора.В первой конструкции фосфонатные группы были настолько прочно связаны с металлом, что препятствовали связыванию молекулы воды с катализатором на достаточно раннем этапе, чтобы процесс шел гладко. Это замедлило каталитический цикл.Итак, команда произвела замену.
Они оставили одну фосфонатную группу в качестве основы, но заменили другую на менее прочно связанный карбоксилат.«Карбоксилатная группа может легче регулировать свою координацию с металлическим центром, чтобы позволить молекуле воды войти и вступить в реакцию на более ранней стадии», — сказал Шаффер.«Когда мы пытаемся разработать более совершенные катализаторы, мы сначала пытаемся выяснить, какой этап является самым медленным.
Затем мы модифицируем катализатор, чтобы сделать этот этап быстрее», — сказал он. «Работа Яна стала на один шаг быстрее, и из-за этого один из других шагов оказался самым медленным. Поэтому в текущей работе мы ускорили этот второй шаг, оставив при этом быстрым первый».Улучшение преобразовало катализатор, который создавал две или три молекулы кислорода в секунду, в одну, производящую более 100 молекул кислорода в секунду, с соответствующим увеличением производства протонов и электронов, которые можно использовать для создания водородного топлива.«Это скорость, которая сопоставима со скоростью этой реакции при естественном фотосинтезе на один каталитический сайт», — сказал Консепсьон. «У природного катализатора фотосинтеза четыре металлических центра, а у нашего — только один», — пояснил он. «Но природная система очень сложна, состоит из тысяч и тысяч атомов.
Было бы чрезвычайно сложно воспроизвести что-то подобное в лаборатории. Это единичная молекула, и она выполняет ту же функцию, что и эта очень сложная система».
Следующим шагом будет испытание нового катализатора в устройствах, включающих электроды и другие компоненты для преобразования протонов и электронов в водородное топливо, а затем с использованием светопоглощающих соединений, обеспечивающих энергию для запуска всей реакции.«Сейчас у нас есть системы, которые работают достаточно хорошо, поэтому мы очень надеемся», — сказал Консепсьон.