Новый многообещающий двухатомный катализатор позволит получать экологически чистую энергию

9 февраля 2018



По своим структурным характеристикам новый иридиевый двуядерный гетерогенный катализатор является эффективным дуэтом атомов. Новый катализатор стал прорывом в усилиях человечества по производству и хранению чистой энергии посредством искусственного фотосинтеза.

Структурная характеристика нового иридиевого двуядерного гетерогенного катализатора показывает яркие пары атомов. Новый катализатор рассматривается как прогресс в усилиях по производству и хранению чистой энергии посредством 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, сообщили сегодня в официальном издании Национальной академии наук «Proceedings of the National Academy of Sciences». Команда разработала прогрессивный иридиевый катализатор, имеющих два активных металлических центра. Наибольшей ценностью исследования является то, что катализатор, как показала серия экспериментов, имеет четко определенную структуру, способную служить в качестве продуктивной платформы для будущих исследований синтеза солнечного топлива. «Наши исследования касаются технологии прямого хранения солнечной энергии», — сказал адъюнкт-профессор химии Бостонского колледжа Данвей Ван, ведущий автор работы. «Наша научная работа посвящена решению важнейшей задачи — преодолению проблемы прерывистости солнечной энергии. Это достигается путем непосредственного сбора солнечной энергии и хранения ее в химических связях, подобно тому, как это бывает при фотосинтезе, но с более высокой эффективностью и более низкой затратностью». Исследователи потратили значительную часть времени на исследования одноатомных катализаторов (SAC), а «атомно-дисперсный катализатор» с двумя атомами был практически не изучен. В статье под названием «Стабильные иридиевые двуядерные гетерогенные катализаторы, нанесенные на металлооксидный субстрат для получения солнечной энергии», команда сообщает, что синтезировали двуядерный гетеродидный катализатор иридия простым фотохимическим способом. Катализатор демонстрирует превосходную стабильность и высокую активность в отношении окисления воды, что является существенным шагом в процессе изучения естественного и искусственного фотосинтеза.

Исследователи сосредоточились на этом аспекте катализа, учитывая важность наличия особых проблем при разработке гетерогенных катализаторов широко использующихся в крупномасштабных промышленных химических превращениях. Наиболее активные гетерогенные катализаторы часто плохо определены в их атомных структурах, что затрудняет оценку механизмов их работы на молекулярном уровне.

Команда смогла воспользоваться новыми технологиями в оценке одноатомных катализаторов и разработать материальную платформу для изучения важных и сложных реакций, для которых требуется более одного активного центра.

Ван сказал, что его команда определила, «что может быть самым маленьким активным и наиболее прочным гетерогенным каталитическим агрегатом для окисления воды». Ранее исследователи уже задавались этим вопросом и находили ответ на него только в гомогенных катализаторах, долговечность которых была низкой. «Это первый раз, когда мы видим возможную перспективу использования гетерогенных катализаторов в производстве и хранении чистой энергии ».

Команда использовала в своих опытах и другое общелабораторное оборудование, например, был проведен ряд рентгеновских экспериментов, которые помогли определить структуру иридиевого катализатора. Учеными в процессе проведения измерений были использовали две методики: определение дальней тонкой структуры рентгеновского спектра поглощения (EXAFS спектроскопия, или спектроскопия рентгеновского поглощения) и рентгеновскую абсорбцию вблизи краевой структуры (XANES-спектроскопия). Эти эксперименты дают важные данные для лучшего понимания природы нового катализатора. Ван сказал, что команда была удивлена ​​простотой и долговечностью катализатора, которые сочетаются с высокой активностью в направлении желаемой реакции окисления воды.

Ван сказал, что следующими шагами в их работе будет дальнейшая оптимизация катализатора для практического использования и исследование областей его применения.

Помимо Вана и коллег из Бостонского колледжа, в исследовании участвовали ученые из Калифорнийского университета (Ирвин), Йельского университета, Университета Тафтса и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, а также китайские ученые из Университета Цинхуа и Нанкинского университета. Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Министерством энергетики США, а также научными учреждениями в Китае.