De zoektocht naar duurzame benaderingen voor het genereren van nieuwe brandstoffen heeft wetenschappers teruggebracht naar een van de meest voorkomende materialen op aarde:roodachtig ijzeroxide in de vorm van hematiet, ook wel roest genoemd.

Onderzoekers zeggen dat roest al lang wordt gezien als een potentieel aantrekkelijk materiaal voor het splitsen van zonnewater. een belangrijk proces dat planten gebruiken bij fotosynthese. Planten gebruiken een enzym genaamd fotosysteem II (PSII) om licht te absorberen en water te splitsen, het extraheren van elektronen en protonen uit de watermoleculen en het genereren van de atmosferische zuurstof die het leven op aarde in stand houdt.

Roest kan een manier zijn om het zonnewatersplitsingsaspect van fotosynthese na te bootsen, waardoor brandstof kan worden opgewekt uit water, ofwel door protonen en elektronen te combineren voor waterstofgeneratie, of door de elektronen en protonen te gebruiken om koolstofdioxide om te zetten in koolwaterstofbrandstoffen. Het probleem, wetenschappers zeggen, is dat de prestaties van roest in talrijke watersplitsingsexperimenten teleurstellend waren in vergelijking met zijn theoretische potentieel. Ze zeggen dat een fundamenteel begrip van het reactiemechanisme ontbreekt, het voorkomen van de ontwikkeling van apparaten voor directe zonnewatersplitsing.

Een nieuwe studie door Victor Batista aan de Yale University in samenwerking met James Durrant van Imperial College, Londen, en Michael Grätzel van het Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Zwitserland, biedt enkele antwoorden.

De studie werpt licht op het mechanisme van wateroxidatie die optreedt bij het metaaloxide/water-grensvlak. Een gecombineerd computationeel en experimenteel onderzoek naar het wateroxidatiemechanisme wees uit dat als je de intensiteit van licht verandert, je verandert ook het mechanisme van watersplitsing op hematiet. De onderzoekers zeggen dat dit waardevolle aanwijzingen geeft over de aard van de plaatsen die verantwoordelijk zijn voor de reactiviteit op het oxide-oppervlak.

Computationeel werk uitgevoerd door co-auteur Ke Yang, een postdoctoraal onderzoeker in de Batista-groep, geïdentificeerde geïsoleerde katalytische plaatsen - bij weinig licht en een twee-atoom, Fe(OH)-O-Fe(OH) katalytische kern - die voldoende oxidatiekracht opbouwt om elektronen uit water te halen door tot drie oxiderende equivalenten (ontbrekende elektronen) te accumuleren onder 1 zonbedrijfsomstandigheden (de volledige intensiteit van zonlicht op een heldere, heldere dag). Dit mechanisme bootst de activering van PSII na tijdens fotosynthese, aldus de onderzoekers.

De studie verschijnt in het tijdschrift Natuurchemie .

"De integratie van computationeel en experimenteel werk is essentieel geweest voor het ophelderen van de aard van de katalytische locaties op nogal gecompliceerde metaaloxide-oppervlakken en de afhankelijkheid van het reactiemechanisme onder omstandigheden met lage en hoge lichtintensiteit, ' zei Batista.

in 2018, Batista was co-auteur van een afzonderlijke studie die soortgelijke, twee-atoom katalysatoren. De onderzoekers zeiden dat het vinden, samen met de nieuwe studie, suggereert dat katalytische kernen met twee atomen met twee aangrenzende metalen centra bijzonder geschikt zouden kunnen zijn om een ​​efficiënte watersplitsing te bereiken.

"Zuurstof maken uit water vereist meerdere oxidaties, "Zei Durrant. "Experimenteel, de sleutel tot onze studie was het gebruik van optische absorptiespectroscopie om te meten hoe de kinetiek van wateroxidatie verandert naarmate we meer gaten op het hematietoppervlak verzamelen. Dit heeft ons in staat gesteld om snelheidswetten en snelheidsconstanten voor de reactie te bepalen; bijvoorbeeld, bepalen hoeveel gaten samen moeten komen om toegang te krijgen tot de snelheidsbeperkende stap van de reactie, en het bepalen van de activeringsenergie voor de reactie."