Создание искусственного листа, который использует солнечную энергию для дешевого и эффективного преобразования воды в водород и кислород, является одной из целей BISfuel — исследовательского центра Energy Frontier Research Center, финансируемого Министерством энергетики при Департаменте химии и биохимии в штате Аризона. Университет.
Водород сам по себе является важным топливом и незаменимым реагентом для производства легких углеводородных топлив из тяжелого нефтяного сырья. Обществу нужен возобновляемый источник топлива, который широко распространен, в изобилии, недорогой и экологически чистый.Обществу нужен дешевый водород.
«Первоначально наш искусственный лист не работал очень хорошо, и наши диагностические исследования почему показали, что стадия, на которой быстрая химическая реакция должна взаимодействовать с медленной химической реакцией, была неэффективной», — сказал профессор химии ASU Томас Мур. «Быстрый — это этап, на котором энергия света преобразуется в химическую энергию, а медленный — этап, на котором химическая энергия используется для преобразования воды в ее элементы, а именно в водород и кислород».Исследователи внимательно изучили, как природа преодолела связанную с этим проблему в части фотосинтетического процесса, когда вода окисляется с образованием кислорода.«Мы внимательно посмотрели и обнаружили, что природа использовала промежуточный шаг», — сказал Мур. «Этот промежуточный этап включал реле для электронов, в котором одна половина реле взаимодействовала с быстрым шагом оптимальным образом, чтобы удовлетворить его, а другая половина реле затем имела время, чтобы выполнить медленный шаг окисления воды в эффективном режиме. способ."
Затем они разработали искусственное реле, основанное на естественном, и были вознаграждены значительным улучшением.Стремясь понять, чего они достигли, команда затем подробно рассмотрела атомарный уровень, чтобы выяснить, как это может работать.
Они использовали методы рентгеновской кристаллографии, оптической и магнитно-резонансной спектроскопии для определения локального электромагнитного окружения электронов и протонов, участвующих в реле, и с помощью теории (протонно-связанный механизм переноса электронов) определили уникальную структурную особенность реле. Это была необычно короткая связь между атомом водорода и атомом азота, которая способствует правильной работе реле.Они также обнаружили тонкие магнитные особенности электронной структуры искусственного реле, которые отражали те, что были обнаружены в естественной системе.
Не только искусственная система была улучшена, но команда лучше понимает, как работает естественная система. Это будет важно, поскольку ученые разработают подход к искусственному листу для устойчивого использования солнечной энергии, необходимой для обеспечения продуктами питания, топливом и волокном, в которых потребности человека становятся все более востребованными.Профессора химии АГУ, участвующие в этом конкретном проекте, включают Томаса Мура, Девенса Густа, Ана Мур и Владимиро Мухику.
Кафедра является подразделением Колледжа свободных искусств и наук. Ключевые сотрудники в этой работе — Олег Полуэктов и Тияна Райх из Аргоннской национальной лаборатории.Эта работа была бы невозможна без участия многих ученых, движимых общей целью и координируемых такой программой, как Центр исследований энергетических рубежей, чтобы предложить правильную комбинацию навыков высокого уровня для исследовательского стола.
Кафедра химии и биоцемии является академическим подразделением Колледжа свободных искусств и наук АГУ.