Chemici van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een nieuwe katalysator ontworpen die de snelheid van een belangrijke stap in "kunstmatige fotosynthese" versnelt - een poging om na te bootsen hoe planten, algen, en sommige bacteriën benutten zonlicht om water en koolstofdioxide om te zetten in energierijke brandstoffen. Deze stap, wateroxidatie genoemd, maakt protonen en elektronen vrij uit watermoleculen, zuurstof produceren als bijproduct.

Deze "single-site"-katalysator - wat betekent dat de hele reactiereeks plaatsvindt op een enkele katalytische plaats van één molecuul - is de eerste die overeenkomt met de efficiëntie van de katalytische plaatsen die deze reactie in de natuur aandrijven. Het single-site ontwerp en de hoge efficiëntie verbeteren het potentieel voor het maken van efficiënte zonne-naar-brandstof conversie-apparaten aanzienlijk.

"Het einddoel is om die moleculaire bouwstenen - de protonen en elektronen - uit te breken om brandstoffen zoals waterstof, " zei David Shaffer, een Brookhaven-onderzoeksmedewerker en hoofdauteur van een paper waarin het werk in de Tijdschrift van de American Chemical Society . "Hoe efficiënter de wateroxidatiecyclus is, hoe meer energie we kunnen opslaan."

Maar het uit elkaar halen van watermoleculen is niet eenvoudig.

"Water is zeer stabiel, " zei Brookhaven-chemicus Javier Concepcion, die het onderzoeksteam leidde. "Water kan vele kook-/condensatiecycli ondergaan en blijft als H2O. Om de protonen en elektronen eruit te krijgen, we moeten de watermoleculen met elkaar laten reageren."

De katalysator fungeert als een chemische handler, schuifelend rond de activa van de watermoleculen - elektronen, waterstofionen (protonen), en zuurstofatomen - om de reactie te laten plaatsvinden.

Het nieuwe katalysatorontwerp bouwt voort op een ontwerp dat de groep vorig jaar ontwikkelde, onder leiding van afgestudeerde student Yan Xie, die ook een single-site katalysator was, met alle componenten die nodig zijn voor de reactie op een enkel molecuul. Deze aanpak is aantrekkelijk omdat de wetenschappers de rangschikking van de verschillende onderdelen kunnen optimaliseren, zodat reagerende moleculen precies op de juiste manier bij elkaar komen. Dergelijke katalysatoren zijn niet afhankelijk van de vrije diffusie van moleculen in een oplossing om reacties te bereiken, zodat ze de neiging hebben om te blijven functioneren, zelfs wanneer ze aan een oppervlak zijn bevestigd, zoals ze zouden zijn in echte apparaten.

"We gebruikten computermodellering om de reacties op theoretisch niveau te bestuderen om ons te helpen bij het ontwerpen van onze moleculen, "Zei Concepcion. "Van de berekeningen hebben we een idee van wat wel of niet zal werken, wat tijd bespaart voordat we in het lab komen."

In zowel het ontwerp van Xie als de nieuwe verbetering, er is een metaal in de kern van het molecuul, omringd door andere componenten kunnen de wetenschappers ervoor kiezen om de katalysator bepaalde eigenschappen te geven. De reactie begint met het oxideren van het metaal, die elektronen wegtrekt van de zuurstof op een watermolecuul. Dat laat een "positief geladen, " of "geactiveerd, " zuurstof en twee positief geladen waterstofatomen (protonen).

"Door elektronen weg te nemen, zijn de protonen gemakkelijker vrij te maken. Maar je hebt die protonen nodig om ergens heen te gaan. En het is efficiënter als je de elektronen en protonen tegelijkertijd verwijdert om de opbouw van overtollige ladingen te voorkomen, "Zei Concepcion. "Dus Xie voegde fosfonaatgroepen toe als liganden op het metaal om te fungeren als een base die die protonen zou accepteren, " legde hij uit. Die fosfonaatgroepen maakten het ook gemakkelijker om het metaal te oxideren om de elektronen in de eerste plaats te verwijderen.

Maar er was nog een probleem. Om het H2O-molecuul te activeren, je hebt het eerst nodig om te binden aan het metaalatoom in het midden van de katalysator.

In het eerste ontwerp is de fosfonaatgroepen waren zo sterk aan het metaal gebonden dat ze verhinderden dat het watermolecuul vroeg genoeg aan de katalysator zou binden om het proces soepel te laten verlopen. Dat vertraagde de katalytische cyclus.

Dus het team wisselde. Ze hielden één fosfonaatgroep om als basis te dienen, maar verwisselde de andere voor een minder strak gebonden carboxylaat.

"De carboxylaatgroep kan zijn coördinatie gemakkelijker aanpassen aan het metaalcentrum, zodat het watermolecuul in een eerder stadium kan binnenkomen en reageren, ' zei Shaffer.

"Als we betere katalysatoren proberen te ontwerpen, we proberen eerst uit te zoeken wat de langzaamste stap is. Dan herontwerpen we de katalysator om die stap sneller te maken, ' zei hij. 'Yans werk ging een stap sneller, en dat maakte een van de andere stappen uiteindelijk de langzaamste stap. Dus in het huidige werk hebben we die tweede stap versneld en de eerste snel gehouden."

De verbetering transformeerde een katalysator die twee of drie zuurstofmoleculen per seconde creëerde in een die meer dan 100 per seconde produceert - met een overeenkomstige toename in de productie van protonen en elektronen die kunnen worden gebruikt om waterstofbrandstof te maken.

"Dat is een snelheid die vergelijkbaar is met de snelheid van deze reactie bij natuurlijke fotosynthese, per katalytische site, Concepcion zei. "De natuurlijke fotosynthesekatalysator heeft vier metaalcentra en de onze heeft er maar één, " legde hij uit. "Maar het natuurlijke systeem is zeer complex met duizenden en duizenden atomen. Het zou extreem moeilijk zijn om zoiets in het lab te repliceren. Dit is een enkel molecuul en het heeft dezelfde functie als dat zeer complexe systeem."

De volgende stap is om de nieuwe katalysator te testen in apparaten met elektroden en andere componenten voor het omzetten van de protonen en elektronen in waterstofbrandstof - en later, met lichtabsorberende verbindingen om energie te leveren om de hele reactie aan te drijven.

"We hebben nu systemen die redelijk goed werken, dus we hebben goede hoop, ' zei Concepción.