ScienceDaily (8 апреля)
Проектирование эффективных систем для расщепления воды на водород и кислород с помощью солнечного света одна из самых важных задач, стоящих перед наукой сегодня. Но искусственные системы, которые существуют сегодня, очень неэффективны и часто требуют дополнительного использования вредных веществ. Исходя из этого, важно установить новые механизмы, которыми могут производить расщепление воды.
Теперь, уникальный подход, развитый профессором Дэвидом Милстеином и коллегами Органического Отдела Химии Института Вейцмана, обеспечивает важные шаги в решении этой задачи. Команда демонстрировала новый способ разрушения связи между атомами кислорода и даже определила механизм, по которому идет этот процесс. Фактически, это - генерация газа кислорода с формированием связи между двумя атомами кислорода, происходящей при расщеплении молекул воды, которая является узким местом в процессе расщепления воды. Их результаты были недавно изданы в журнале Nature.
Природа,различными путями спроектировала очень эффективный процесс: фотосинтез растений, который является источником всего кислорода на Земле. Хотя было существенное продвижение к пониманию фотосинтеза, только эти функции системы остаются неясными; обширные международные усилия были посвящены развитию искусственных фотосинтетических систем, основанных на металлических комплексах, которые служат катализаторами, с небольшим количеством успеха. (Катализатор - вещество, которое является в состоянии увеличить норму химической реакции, не вступая в нее.)
Новый подход, который команда Вейцмана недавно изобрела, разделен на последовательность реакций, которая приводит к освобождению водорода и кислорода в последовательных и управляемых этапах, которые устанавливаются уникальным компонентом – специальным металлическим комплексом, который команда Милстеина проектировала в предыдущих исследованиях. Кроме того, спроектированный ими – металлический комплекс рутения элемента – является 'шикарным' комплексом, в котором металлический центр и органическая часть,являющаяся его приложением, сотрудничают в разрушении молекулы воды.
Команда нашла, что после смешивания этого комплекса с водой связи прерываются между атомами водорода и кислорода, один атом водорода, связывается с органической частью, в то время как остающиеся атомы водорода и кислорода (О группа) связываются металлическим центром.
Новая модификация комплекса обеспечивает основу для следующей стадии процесса: ‘стадии высокой температуры.’ Когда вода нагрета до 100ºC, водородный газ выпущен от комплекса – потенциальный источник чистого топлива – и другого О, группа добавлена к металлическому центру.
‘Но самая интересная часть - третья ‘легкая стадия," говорит Милстеин. ‘Когда мы осветили этот третий комплекс при комнатной температуре, мало того, что кислород был получен кислород, но и металлический комплекс также вернулся назад к его исходное состояние, который может быть пригоден для использования в дальнейших реакциях.’
Милстеин и его команда также преуспели в том, что идентифицировали беспрецедентный механизм для такого процесса. Дополнительные эксперименты указали, что в течение третьей стадии, свет обеспечивает энергию, необходимую заставить две ОН группы собраться, чтобы сформировать перекись водорода (H2O2), которая быстро разбивается в кислород и воду. ‘Поскольку перекись водорода считают относительно непостоянной молекулой, ученые всегда игнорировали этот шаг, считая это невероятным; но мы показали иначе,’ говорит Милстеин.
Кроме того, команда обеспечила свидетельство, показывая, что обязательство между двумя атомами кислорода произведено в пределах единственной молекулы – не между атомами кислорода, проживающими на отдельных молекулах, как обычно верится, а связано с единственного металлического центра.
Открытие эффективного искусственного катализатора для управляемого солнечным светом расщепления воды на кислород и водород - главная цель исследования возобновимого экологически чистого вида энергии. Пока, команда Милстеина демонстрировала механизм для формирования водорода и кислорода из воды, без потребности в жертвенных боевых отравляющих веществах, через индивидуальные шаги, используя свет. Для их следующего исследования, они планируют объединить эти стадии, чтобы создать эффективную каталитическую систему, принося тем в области альтернативной энергии важный шаг ближе к пониманию этой цели.
Участие в исследовании приняли Штефан Коль, аспирант Леонидо Шварцбурдом, техник Ехошоа Беном-Дэвидом, весь Органический Отдел Химии, а также Лев Вейнер, Леонид Константиновский, Линда Шимон и Марк Айрон из Химического Отдела Поддержки Исследования.
Исследование профессора Дэвида Милстеина поддержано Центром Мэри и Тома Бек-Канадиана Альтернативного исследования энергии; и Центром Элен и Мартина Киммэля Молекулярного проектирования.
Оригинал статьи www.sciencedaily.com
|
