Pentaduclear geležies katalizatorius oksiduoja vandenį

Anonim

(Phys.org) - Augalai sugebės paversti saulės šviesą energija per fotosintezę. Yra daug susidomėjimo kuriant sistemą, kuri imituotų fotosintezės procesą kaip aplinkai nekenksmingą saulės šviesos energijos gaminimo būdą. Viena iš pagrindinių fotosintezės reakcijų yra vandens oksidavimas, kad jis suskaidytų į jo sudedamąsias dalis, molekulinį deguonį (O 2) ir protonus (H +). Ši reakcija katalizuojama II fotosintezės sistemoje.

II fotosintezės sintetinės alternatyvos tyrimai paskatino katalizatorius, kurie, nors naudingi, nėra tokie praktiški pramoniniam naudojimui. Idealus katalizatorius būtų pigus, patikimas ir pakartotinai naudojamas. Keletas mokslininkų iš įvairių institucijų Japonijoje sukūrė pentaduclear geležies katalizatorių, kuris turi daugybę šių savybių. Šis katalizatoriaus apyvartos dažnis yra 1900 s -1. Jo penki elektrocheminiai aktyvūs tinklalapiai suteikia redox lankstumą. Jo gretimos aktyvios svetainės skatina OO jungčių susidarymą ir todėl mažai aktyvacijos energiją. Jų darbas atsiranda gamtoje.

Kai vanduo oksiduojamas, jis gamina O2, H + ir keturis elektronus. Gamtoje, įskaitant ir II fotosintezę, kai redox procese dalyvauja keli elektronai, geriau turėti katalizatorių, turintį keletą redokso svetainių arba redokso lankstų. Kuriant pentaduclear geležies katalizatorių, autoriai manė, kad jis turėtų pakankamai lankstumo, kad skatintų elektronų mainus.

Katalizatorius padeda sumažinti greitį nustatant greitį. Manoma, kad greitis, lemiantis vandens oksidacijos etapą, yra OO jungties formavimas. Masaya Okamura, et al. todėl į jų projektą įtraukė būdą, kaip skatinti OO jungčių susidarymą. Iš tiesų, kvantavimo cheminiai tyrimai parodė, kad kai du oksigenai jungiasi prie dviejų pagrindinių geležies atomų, susidaro pereinamosios būklės formos, dėl kurių susidaro deguonies dujos.

Jų pentadukterinis kompleksas yra (Fe II 4 Fe III3 -O) (μ-L) 6) 3+, kur LH yra 3, 5-bis (2-piridil) pirazolas. Du geležies atomai yra suderinti su šešiais ligos struktūros atomais, o trys geležies atomai šerdyje yra suderinti su penkiais atomų per ligando struktūrą. Du iš šių pagrindinių geležies atomų yra aktyvios OO jungties formavimo vietos.

Elektrocheminiai tyrimai patvirtino, kad katalizatoriuje atliekamos penkios nuosekliai pasireiškiančios grįžtamojo vieno elektrono redokso reakcijos, kuriose Fe II virsta Fe III. Vandens pridėjimas parodė deguonies evoliuciją, kuri buvo kiekybiškai įvertinta naudojant kontroliuojamą potencialią elektrolizę dviejų kamerų ląstelėse, atskirtoje anijonų mainų membrana. Dujų chromatografija išmatuotas O 2 kiekį. Katalizatorius parodė, kad Faradžio efektyvumas yra 96%, pagrįstas keturių elektronų procesu ir pasirodė esąs labai stabilus.

Elektrocheminiai tyrimai parodo keturių pakopų vieno elektronų oksidacijos ciklą. Kvantiniai cheminiai sistemos skaičiavimai, naudojant tankio funkcinę teoriją, rodo mažą energijos barjerą kataliziniam mechanizmui. Apyvartos dažnis (TOF) nustatytas pagal elektrocheminių matavimų rezultatus. Gauta TOF vertė buvo 1900 s -1, tai yra 1000 kartų didesnė už kitus praneštus geležies pagrindu pagamintus katalizatorius.

Šis eksperimentas parodo veiksmingą katalizatoriaus, skatinančio vandens oksidaciją, dizainą. Tačiau prieš tai, kad šis katalizatorius gali būti iš tiesų praktiškas platesniu mastu, papildomuose tyrimuose reikės išsiaiškinti, kaip sumažinti didelį perteklinį potencialą (didesnį kaip 0, 5 V) ir pakeisti terpę iš acetonitrilo / vandens į gryną vandenį.

menu
menu