Door een watermolecuul te splitsen in twee waterstofatomen en een zuurstofatoom, wetenschappers kunnen de grenzeloze energie van de zon gebruiken om een ​​schone brandstof te maken. In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Harvard University, wetenschappers hebben voor het eerst een bijzonder belangrijke stap in het watersplitsingsproces kunnen zien, die ons dichter bij overvloedige zonne-energie voor iedereen kan brengen.

Het splitsen van een watermolecuul vereist een metaalkatalysator om de reactie op gang te brengen. Onlangs, veel wetenschappelijke aandacht ging naar kobalt, een relatief overvloedige en goedkope katalysator die - onder de juiste omstandigheden - kan dienen als escorte naar een elektronische dans tussen waterstof- en zuurstofatomen.

"Eigenlijk, het stelt u in staat een gerichte momentopname te maken, in tegenstelling tot alleen het zien van een chemische vervaging. Het is belangrijk dat we de kenmerken van de katalysator bepalen op de tijdschaal waarin de elektronen bewegen."

"Kobalt zuurstof ontwikkelende katalysatoren zijn de actieve componenten in technologieën zoals kunstmatige bladeren en andere materialen waarin je licht kunt oogsten om de synthese van zonnebrandstoffen aan te drijven, " zei Argonne postdoctoraal onderzoeker Ryan Hadt, een co-eerste auteur van de studie.

De algehele watersplitsingsreactie heeft eigenlijk twee helften. De onderzoekers concentreerden zich op de eerste helft, wateroxidatie genoemd, wat de overdracht van vier protonen en vier elektronen vereist en uiteindelijk resulteert in de vorming van een zuurstof-zuurstofbinding. Voor dit proces is de zuurstofbronnen hebben een tijdelijke danspartner nodig, die wordt gespeeld door de kobaltkatalysator.

Maar de reden dat deze dans nog niet goed wordt begrepen, is dat de overdrachten en de vorming van de band in een flits gebeuren - het hele proces duurt minder dan een miljardste van een seconde. Om de nuances van de bindingsactie te begrijpen, de onderzoekers moesten röntgenabsorptiespectroscopiemetingen uitvoeren bij Argonne's Advanced Photon Source.

In hun analyse de onderzoekers concentreerden zich op een bijzonder intrigerende chemische draai. Aan het begin van het proces, een brug van twee zuurstofatomen verbindt twee kobaltionen. Elk van de kobaltionen, beurtelings, is verbonden met zijn eigen watermolecuul. Op dit punt, dingen zijn redelijk stabiel.

De elektronische dans is klaar om te beginnen wanneer een kobaltion een extra positieve lading toevoegt, tijdelijk een karakteristiek aantal verhogen dat wetenschappers een 'oxidatietoestand' noemen. In het geval van kobalt, de oxidatietoestand verandert, voor een ogenblik, van drie tot vier.

Wanneer twee kobaltionen met een oxidatietoestand van vier met elkaar in contact komen, het proces begint serieus. De ladingsoverdrachten zorgen ervoor dat de waterstofatomen van de watermoleculen dissociëren van hun zuurstofbindingen, waardoor de kobaltatomen alleen aan zuurstofionen gebonden zijn.

Direct daarna volgt het sleutelmoment, wanneer de kobaltcentra elk een extra elektron ontvangen van de nieuw blootgestelde zuurstofatomen. Wanneer dit gebeurt, een binding wordt gevormd tussen de twee zuurstofatomen, het creëren van een moleculair tussenstadium genaamd peroxide, die snel kan worden geoxideerd om een ​​dizuurstofmolecuul vrij te maken. De elektronen die tijdens dit proces uit water worden gewonnen, kunnen worden gebruikt om zonnebrandstoffen te maken.

Door de geavanceerde fotonbron te gebruiken, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, de onderzoekers waren in staat om de oxidatietoestanden van kobalt direct te meten en vervolgens de theorie te gebruiken om een ​​hoeveelheid te berekenen die bekend staat als "uitwisselingskoppeling, " een kwantummechanische waarde die de relatie identificeert tussen de spins van de elektronen die tussen de zuurstof- en kobaltatomen worden gependeld. De onderzoekers ontdekten dat deze elektronenspins in tegengestelde richtingen zijn - in wetenschappelijk spraakgebruik, ze zijn antiferromagnetisch gekoppeld.

"Antiferromagnetisme speelt een belangrijke rol bij de vorming van de zuurstof-zuurstofbinding, " zei Hadt, "omdat het een manier biedt om tegelijkertijd twee elektronen over te dragen om een ​​chemische binding te maken."

Argonne postdoctoraal onderzoeker en studie auteur Dugan Hayes wees ook op het unieke vermogen van de Advanced Photon Source om de locatie van de extra-geoxideerde kobaltatomen op te lossen. "Eigenlijk, het stelt u in staat een gerichte momentopname te maken, in tegenstelling tot alleen het zien van een chemische vervaging, " zei hij. "Het is belangrijk dat we de kenmerken van de katalysator bepalen op de tijdschaal waarin de elektronen bewegen."

Een paper gebaseerd op het onderzoek, "In situ karakterisering van cofaciale Co(IV)-centra in Co ₄ O ₄ cubaan:modellering van de hoogwaardige actieve plaats in zuurstofontwikkelende katalysatoren, " verscheen in de editie van 27 maart van de Proceedings van de National Academy of Sciences .