Этот катализатор «единственного места» – значение всей последовательности реакции происходит на единственной каталитической территории одной молекулы – первое, чтобы соответствовать эффективности каталитических мест, которые стимулируют эту реакцию по своей природе. Единственный дизайн сайта и высокая эффективность значительно улучшают потенциал для того, чтобы сделать эффективные солнечные к топливу конверсионные устройства.«Конечная цель должна вспыхнуть те молекулярные стандартные блоки – протоны и электроны – чтобы сделать топливо, такое как водород», сказал Дэвид Шаффер, Брукхевенский научный сотрудник и ведущий автор на бумаге, описывающей работу в Журнале американского Химического Общества. «Чем более эффективный водный цикл окисления, тем больше энергии мы можем сохранить».
Но разбивание молекул воды не легко.«Вода очень стабильна», сказал Брукхевенский химик Хавьер Консепсион, который возглавил исследовательскую группу. «Вода может подвергнуться многим варящимся/уплотняющим циклам, и это остается как H2O. Чтобы вывести протоны и электроны, мы должны заставить молекулы воды реагировать друг с другом».Катализатор действует как химический укладчик, перетасовывающий вокруг активов молекул воды – электронов, водородные ионы (протоны) и атомы кислорода – чтобы получить реакцию произойти.
Новый дизайн катализатора основывается на одном группа, развитая в прошлом году, во главе с аспирантом Янь Се, который был также катализатором единственного места со всеми компонентами, необходимыми для реакции на единственной молекуле. Этот подход привлекателен, потому что ученые могут оптимизировать, как различные части устроены так, чтобы реагирующие молекулы объединились просто правильным способом.
Такие катализаторы не зависят от бесплатного распространения молекул в решении достигнуть реакций, таким образом, они имеют тенденцию продолжать функционировать, даже когда зафиксировано к поверхности, как они были бы в реальных устройствах.«Мы использовали компьютер, моделирующий, чтобы изучить реакции на теоретическом уровне, чтобы помочь нам проектировать наши молекулы», заявил Консепсьон. «От вычислений у нас есть идея того, что будет работать или нет, который экономит время, прежде чем мы войдем в лабораторию».
И в дизайне Се и в новом улучшении, есть металл в ядре молекулы, окруженной другими компонентами, ученые могут дать катализатору конкретные свойства. Реакция начинается, окисляя металл, который разделяет электроны от кислорода на молекуле воды. Это оставляет позади «положительно заряженный», или «активированный», кислород и два положительно зарядил hydrogens (протоны).«Устранение электронов делает протоны легче выпустить.
Но Вам нужны те протоны, чтобы пойти куда-нибудь. И более эффективно, если Вы удаляете электроны и протоны в то же время, чтобы предотвратить наращивание избыточных обвинений», заявил Консепсьон. «Таким образом, Се добавил phosphonate группы как лиганды на металле, чтобы действовать как основа, которая примет те протоны», объяснил он. Те phosphonate группы также облегчили окислять металл, чтобы удалить электроны во-первых.Но была все еще проблема.
Чтобы активировать молекулу H2O, Вам сначала нужна она, чтобы связать с металлическим атомом в центре катализатора.В первом дизайне phosphonate группы были так сильно связаны с металлом, который они препятствовали тому, чтобы молекула воды связала с катализатором достаточно рано, чтобы держать процесс, бегущий гладко. Это замедлило каталитический цикл.
Таким образом, команда сделала замену. Они держали одну phosphonate группу, чтобы действовать как основа, но обменянный другой для «менее плотно связанный» карбоксилирует.«Карбоксилировать группа может более легко приспособить свою координацию к металлическому центру, чтобы позволить молекуле воды входить и реагировать в более ранней стадии», сказал Шаффер.«Когда мы пытаемся проектировать лучшие катализаторы, мы сначала пытаемся выяснить то, что является самым медленным шагом.
Тогда мы перепроектируем катализатор, чтобы сделать тот шаг быстрее», сказал он. «Работа Яна сделала один шаг быстрее, и это заставило один из других шагов закончить тем, что был самым медленным шагом. Таким образом в текущей работе мы ускорили тот второй шаг, держа первый быстро».
Улучшение преобразовало катализатор, который создал две или три кислородных молекулы в секунду к той, которая производит больше чем 100 в секунду – с соответствующим увеличением производства протонов и электронов, которые могут использоваться, чтобы создать водородное топливо.«Это – уровень, который сопоставим с темпом этой реакции в естественном фотосинтезе за каталитическое место», заявил Консепсьон. «У натурального катализатора фотосинтеза есть четыре металлических центра, и наш только имеет один», объяснил он. «Но естественная система очень сложна с тысячами и тысячами атомов.
Было бы чрезвычайно трудно копировать что-то как этот в лаборатории. Это – единственная молекула, и она делает ту же самую функцию как та очень сложная система».Следующий шаг должен проверить новый катализатор в устройствах, включающих электроды и другие компоненты для преобразования протонов и электронов к водородному топливу – и затем позже с легко абсорбирующими комплексами, чтобы обеспечить энергию стимулировать целую реакцию.
«У нас есть теперь системы, которые работают вполне хорошо, таким образом, мы очень полны надежд», заявил Консепсьон.