Пошук ефективніших методів накопичення та зберігання сонячної енергії є одним із найбільших енергетичних пріоритетів нашого часу. Вчені зі Сполучених Штатів та Китаю синтезували двохатомний каталізатор, який може стати основою штучного фотосинтезу.
На структурній характеристиці нового іридієвого двоядерного гетерогенного каталізатора добре видно яскраві пари атомів. Новий каталізатор трактують як досягнення на шляху отримання і зберігання чистої енергії завдяки штучному фотосинтезу.
Команда науковців розробила іридієвий каталізатор із лише двома активними металевими центрами. Щонайважливіше, експерименти підтвердили, що цей каталізатор має чітко визначену структуру і може стати продуктивною платформою для майбутніх досліджень синтезу т. зв. “сонячного палива”.
“Метою нашого дослідження є створення технологій для прямого зберігання сонячної енергії, — каже головний автор дослідження, хімік з Бостонського коледжу Ван Дунвей. — Основний виклик полягає в тому, що сонячна енергія періодична, тож її якось потрібно зберегти в хімічних зв’язках. Це відбувається за аналогією з процесом фотосинтезу, але з вищою ефективністю та нижчим коштом”.
Вчені витратили багато часу на дослідження “одноатомних каталізаторів” (SACs), але набагато менше вивчали властивості “атомно-дисперсних каталізаторів” із двома атомами. У статті “Стабільні іридієві двоядерні каталізатори, що підтримуються на субстраті з оксиду металу для сонячного окиснення води”, опублікованій в журналі PNAS, команда повідомляє, що їй вдалося синтезувати двоядерний гетерогенний каталізатор доступним фотохімічним способом. Властивостями такого каталізатора є неабияка стабільність та висока активність окиснення води — ключового процесу як в природного, так і штучного фотосинтезу.
Дослідники, які займаються цим аспектом каталізу, зустрічаються з багатьма викликами на шляху створення гетерогенних каталізаторів. Найбільший з них полягає у тому, що їхня атомна структура часто погано визначена, а це значно ускладнює оцінку детальних механізмів на молекулярному рівні.
Команда скористалася перевагою нових технологій оцінки одноатомних каталізаторів і створила матеріальну платформу для дослідження важливих та комплексних реакцій, що потребують більш ніж однієї активної сторони.
Ван сказав, що дослідники поставили собі за мету визначити, що може бути “найменшим активним і надзвичайно стійким гетерогенним каталізатором для окиснення води. Раніше, ставлячи це питання, відповідь знаходили лише в гетерогенних каталізаторах зі слабкою стійкістю. Але тепер вперше перед нами відкрилася перспектива створення стійких гетерогенних каталізаторів у виробництві та зберіганні чистої енергії”.
Команда також провела тести за допомогою рентгенівських променів у центрі “Передове джерело світла” Національної лабораторії ім. Лоуренса в Берклі (один із найпотужніших у світі генераторів ультрафіолетових та рентгенівських променів), які дозволили встановити атомну структуру іридієвого каталізатора. Для цього вони скористалися двома техніками — XAFS (тонку структуру спектрів поглинання рентгенівських променів) та XANES-спектроскопію (поглинання рентгенівських променів біля краю). Завдяки цим експериментам вдалося отримати критично важливі дані, необхідні для розуміння властивостей нового каталізатора.
За словами Вана, команду здивувала простота і стійкість нового каталізатора, а також його активність щодо бажаної реакції окиснення. Наступним кроком, за словами вченого, має стати подальша оптимізація каталізатора для практичного застосування. Окрім Ван Дунвея та його колег з Бостонського коледжу, в дослідженні брали участь також групи з Каліфорнійського університету в Ірвіні, Єльського університету, Університету Тафтса та Національної лабораторії ім. Лоуренса в Берклі, а також китайські інституції з Нанкінського університету та Університету Цінхуа.
New dual-atom catalyst shows promise to yield clean energy by artificial photosynthesis
ScienceDaily, 05.03.2018
Зреферував Євген Ланюк
09.03.2018