Для расщепления молекулы воды требуется металлический катализатор, чтобы реакция началась. В последнее время большое внимание ученых было сосредоточено на кобальте, относительно распространенном и недорогом катализаторе, который при определенных обстоятельствах может служить в качестве сопровождения электронного танца между атомами водорода и кислорода.«По сути, это позволяет вам получить сфокусированный снимок, а не просто увидеть химическое размытие.
Важно, чтобы мы определяли характеристики катализатора во временной шкале, в которой движутся электроны».«Кобальтовые катализаторы, выделяющие кислород, являются активными компонентами в таких технологиях, как искусственные листья и другие материалы, в которых вы можете собирать свет для синтеза солнечного топлива», — сказал научный сотрудник Аргонны Райан Хадт, соавтор исследования.
Общая реакция расщепления воды фактически состоит из двух половин. Исследователи сосредоточились на первой половине, называемой окислением воды, которая требует переноса четырех протонов и четырех электронов и в конечном итоге приводит к образованию кислородно-кислородной связи.
Для этого процесса кислородам нужен временный партнер в танце, которого играет кобальтовый катализатор.Но причина того, что этот танец еще не совсем понятен, заключается в том, что переводы и формирование связи происходят в мгновение ока — весь процесс занимает менее миллиардной доли секунды. Чтобы понять нюансы действия связывания, исследователям нужно было провести измерения спектроскопии поглощения рентгеновских лучей в усовершенствованном источнике фотонов в Аргонне.
В своем анализе исследователи сосредоточились на особенно интригующем химическом повороте. В начале процесса мостик из двух атомов кислорода соединяет два иона кобальта. Каждый из ионов кобальта, в свою очередь, связан со своей молекулой воды. На данный момент все довольно стабильно.
Электронный танец готов начаться, когда ион кобальта добавляет дополнительный положительный заряд, временно увеличивая характеристическое число, которое ученые называют «степенью окисления». В случае кобальта степень окисления изменяется всего на мгновение с трех до четырех.
Когда два иона кобальта со степенью окисления четыре входят в контакт, процесс начинается всерьез. Перенос заряда заставляет атомы водорода молекул воды отделяться от своих кислородных связей, оставляя атомы кобальта связанными только с ионами кислорода.
Ключевой момент наступает сразу после этого, когда каждый кобальтовый центр получает дополнительный электрон от вновь обнаженных атомов кислорода. Когда это происходит, между двумя атомами кислорода образуется связь, образуя промежуточную молекулярную стадию, называемую перекисью, которая может быстро окисляться с высвобождением молекулы двуокиси кислорода. Электроны, полученные из воды во время этого процесса, можно использовать для производства солнечного топлива.
Используя Advanced Photon Source, пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США, исследователи смогли напрямую измерить степени окисления кобальта, а затем использовать теорию для вычисления величины, известной как «обменная связь», квантово-механической величины, которая определяет взаимосвязь между спины электронов, которые перемещаются между атомами кислорода и кобальта. Исследователи обнаружили, что спины этих электронов имеют противоположные направления — говоря научным языком, они связаны антиферромагнитно.«Антиферромагнетизм играет важную роль в образовании кислородно-кислородной связи, — сказал Хадт, — поскольку он обеспечивает способ одновременного переноса двух электронов для образования химической связи».Аргоннский исследователь и автор исследования Дуган Хейс также указал на уникальную способность Усовершенствованного источника фотонов определять местоположение сверхокисленных атомов кобальта. «По сути, это позволяет вам получить сфокусированный снимок, а не просто увидеть химическое размытие», — сказал он. «Важно, чтобы мы определяли характеристики катализатора в масштабе времени, в котором движутся электроны».
Статья, основанная на исследовании "Определение характеристик кофациальных центров Co (IV) in situ в кубане Co4O4: моделирование высоковалентного активного центра в катализаторах, выделяющих кислород", появилась в выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Science от 27 марта. Наук.