Разработан эффективный способ расщепления молекул воды на свету

Источник: marusia.ru

Над созданием эффективной системы искусственного фотосинтеза, вырабатывающей жидкое топливо из диоксида углерода и воды, уже несколько десятилетий работает множество научных групп из разных стран. Очередного достижения в этой области добились сотрудники Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли: исследованные ими нанокристаллы оксида кобальта (Co₃O₄) показали себя высокоэффективными катализаторами основополагающей для процесса фотосинтеза реакции расщепления молекул воды.

«Для эффективного фотоокисления (разложение воды на кислород, электроны и протоны) требуется катализатор, в полной мере использующий энергию всех падающих фотонов, — поясняет химик Хайнц Фрай, один из двух авторов исследования. — Нанокристаллы Co3O4 довольно «быстры» и эффективны, устойчивы к внешним воздействиям и широкодоступны. Они отвечают всем требованиям».

Напомним, что в естественных условиях фотоокисление воды производится при участии комплекса протеинов, получившего название «фотосистема II», в который входят энзимы, содержащие марганец (они и служат катализаторами). В процессе поиска неорганических заменителей этих веществ американские ученые провели несколько экспериментов с частицами оксида кобальта микрометровых размеров, получив более чем скромные результаты; лишь с переходом к наноразмерам материал раскрыл свой потенциал катализатора. «По эффективности кластеры наночастиц Co₃O₄ превзошли своих более крупных оппонентов практически в 1 600 раз, — рассказывает г-н Фрай. — А интенсивность протекания реакции составила около 1,14 молекул кислорода в секунду в пересчете на один кластер».

Для получения перспективного материала исследователи использовали диоксид кремния, имеющий поры диаметром от 2 до 50 нм: внутри этих каналов и выращивались будущие кристаллы. Наилучшим образом себя проявили образования в форме стержней диаметром 8 нм и длиной 50 нм, соединенные «перемычками» и сгруппированные в шарообразные кластеры диаметром 35 нм. По словам Хайнца Фрая, основное влияние на эффективность и скорость работы всей системы оказывает размер упомянутых кластеров. «Судя по всему, решающую роль играет размер внутреннего пространства кластеров, ведь именно здесь протекает процесс катализа, — высказывает предположение ученый. — Когда мы сформировали образование чуть большего диаметра (65 нм), относительный объем внутреннего пространства уменьшился, а вместе с ним снизилась и эффективность».

В будущем исследователи планируют продолжить изучение созданных кластеров. Когда секрет их эффективности будет раскрыт, наступит черед экспериментов с другими оксидами металлов.

Ниже представлено видео, демонстрирующее процесс расщепления воды. В колбе находится водный раствор частиц кварца, в которые введены нанокристаллы оксида кобальта; в растворе также содержится вещество-сенсибилизатор, позволяющее реакции протекать под действием видимого излучения. При включении лазера цвет жидкости изменяется на синий (сенсибилизатор поглощает излучение). Вскоре после этого начинают появляться пузырьки кислорода, который высвобождается при расщеплении воды.