新的高效催化剂加快人工光合作用的至关重要的一步

美国能源部的化学家布鲁克海文国家实验室已经开发出一种新的催化剂,加速率的主要一步“人工光合作用”——努力模仿藻类、植物和某些细菌利用阳光将水和二氧化碳变成能源燃料。这个step-known oxidation-discharges电子和质子从水分子,生成氧气作为副产品。

这种“单”catalyst-meaning整个反应序列发生在单一催化基团的分子是第一个满足催化这个反应网站驱动的效率。单站点设计和高效显著提高制造成功solar-to-fuel转换设备的潜力。

“最终目标是打破这些分子构建内容——质子和电子等制造燃料氢,”David Shaffer说布鲁克海文国家实验室研究助理和第一作者的一篇论文描述了工作在《美国化学学会》杂志上。“更有效的水氧化周期,我们可以储存更多的能量。”

但水分子分裂不是容易。

水是非常稳定的。水可以接受许多沸腾/冷凝周期和它保持H₂o .的质子和电子,我们需要使水分子相互反应。

哈维尔康赛普西翁(智利C半分解有机土,布鲁克海文国家实验室和研究的领导人

催化剂作为一种化学处理程序,在雪地水分子的assets-hydrogen离子(质子),电子和原子氧反应发生。

新的催化剂设计提高了去年在一个团队创建的,由研究生燕谢领导,单活性中心催化剂,这也是一个与反应所需的所有组件在单个分子。这种方法是有吸引力的,因为研究人员可以提高许多零件是如何安排这反应分子团结在以正确的方式做好事。

这种催化剂不依赖自由扩散的分子在溶液中达到反应,因此他们倾向于继续工作,即使固定表面,就像在真实的设备。

我们用计算机模型来研究反应在理论层面帮助我们设计分子。从计算我们有工作或不是,这节省了时间我们进入实验室。

哈维尔康赛普西翁(智利C半分解有机土,布鲁克海文国家实验室和研究的领导人

谢的设计和新增强,有金属中心的分子,包围其他组件研究人员可以选择给特定属性的催化剂。拉的反应首先氧化金属,电子离水分子氧。导致一个“带正电”或“激活”两个带正电的氢和氧(质子)留下。

“拿走电子使质子更容易释放。但是你需要这些质子去某个地方。更有效,如果你把电子和质子在同一时间,以防止过量的累积费用,”Concepcion说。”所以谢了膦酸酯组作为配体的金属作为基础,会接受这些质子,”他解释说。这些膦酸酯组也使得它更容易氧化的金属,消除电子放在第一位。

但是问题仍然存在。为了触发H₂O分子,一分之一需要绑定到催化剂的金属原子的中心。

膦酸酯组在第一个设计,是如此强劲绑定到金属,他们阻止水分子结合的催化剂早期足以让毫不费力地运行的过程。减速的催化循环。

所以研究小组制作了一个开关。他们让一个膦酸酯组作为基础,但交易的其他less-strongly-bound羧酸盐。

“羧基可以更容易地调整其协调金属中心允许水分子来反应在较早的阶段,”谢弗说。

当我们试图设计出更好的催化剂,我们试图找出什么是最慢的第一步。然后我们重新设计催化剂一步更快。燕的工作更快一步,让另一个步骤是最慢的一步。所以在当前工作我们加速,第二步,同时保持第一个快。

David Shaffer布鲁克海文国家实验室研究助理

增强转化催化剂开发两个或三个氧分子每秒,创造了超过100个每pro2000成分占相应增加电子和质子的创建,可以用来制造氢燃料。

“这是速度,堪比这个反应的速度自然光合作用,每催化部位,”Concepcion说。”自然光合作用催化剂有四个金属中心和我们只有一个,”他解释说。“但自然与成千上万的原子系统是非常复杂的。它将极难复制这样的在实验室里。这是一个单分子和它相同的功能非常复杂的系统。”

下面的步骤是分析设备的新催化剂电极和其他组件的集成转换的电子和质子氢乏燃料之后,与吸光化合物提供能量来驱动整个反应。

“我们现在系统运行得很好,所以我们非常希望,”Concepcion说。

美国能源部科学办公室支持本研究。欧洲杯线上买球

泡沫表明氧气(O的快速生产₂当催化剂添加到解决方案。每个O₂分子,四个质子(氢离子)和四个电子公布足够让两个氢(H₂)分子。(来源:布鲁克海文国家实验室)