Ученые из Канзасского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) добились значительного прогресса в поиске катализатора, который мог бы раскрыть потенциал водорода как экологически чистого топлива. Водород, хотя и в изобилии присутствует на Земле, редко встречается в чистом виде, а современные методы производства основаны на ископаемом топливе. Однако, если исследователи смогут идентифицировать химический катализатор, способный эффективно расщеплять молекулы воды на водород и кислород, используя возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, это может произвести революцию в энергетической отрасли.
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда химиков показала, что они разгадали весь механизм реакции для ключевого класса катализаторов, расщепляющих воду, приблизив их на один шаг к неуловимому катализатору, который они искали.
Понимание сложных деталей каталитического цикла – редкое достижение. Эти реакции включают в себя множество быстрых шагов, которые трудно наблюдать непосредственно. Расшифровка важнейших аспектов каталитической реакции, в том числе того, когда и где они происходят, имеет решающее значение для определения того, подходит ли катализатор для крупномасштабных применений.
Доцент Джеймс Блейкмор из Канзасского университета заметил интригующую аномалию во время своего исследования потенциальных катализаторов. Один конкретный катализатор, известный как пентаметилциклопентадиенилродиевый комплекс или комплекс Cp*Rh, проявил неожиданную реакционную способность в обычно стабильной области молекул.
– Комплексы металлов, которые состоят из центрального металла, окруженного органическим каркасом, жизненно важны из-за их способности катализировать сложные реакции, – отметил он. – Обычно реактивность возникает непосредственно в центре металла. Однако в нашем случае лигандный каркас, по-видимому, непосредственно участвовал в химии.
Чтобы понять природу реакции и стабильность промежуточных продуктов, Блейкмор сотрудничал с химиками из Брукхейвенской лаборатории. Они использовали специализированный исследовательский метод под названием импульсный радиолиз, доступный в Брукхейвенском ускорительном центре энергетических исследований (ACER), который использует высокоскоростные электроны, генерируемые ускорителем частиц, для выделения и изучения быстрых стадий каталитического цикла.
Используя импульсный радиолиз в сочетании со спектроскопией с временным разрешением, команда успешно разгадала каждый этап сложного каталитического цикла, пролив свет на необычную реакционную способность, наблюдаемую на лигандном каркасе.
– Одной из самых замечательных особенностей этого каталитического цикла было непосредственное участие лигандов, – подчеркнул химик из Брукхейвена Дэвид Гриллс. – Как правило, эта область молекулы просто выступает в роли наблюдателя. Однако мы наблюдали реакционную способность внутри лигандов, которая ранее не была продемонстрирована для соединений этого класса. Мы обнаружили, что гидридная группа, промежуточный продукт реакции, присоединилась к Cp* лиганду, подтверждая активную роль Cp* лиганда в механизме реакции.
Такое точное понимание химического процесса поможет ученым в разработке более эффективных, стабильных и экономичных катализаторов для производства чистого водорода.
Кроме того, исследователи полагают, что их результаты дадут ценные подсказки для расшифровки механизмов реакций в других классах катализаторов, облегчая оптимизацию различных систем.
Блейкмор выразил надежду, что другие исследовательские группы воспользуются их знаниями для разработки улучшенных катализаторов за счет использования реактивности, стимулируемой лигандами.
