Новости химической науки > Молекулярные кубики для фотоокисления воды

Водород рассматривается в качестве одного из наиболее перспективных энергетически-топливных веществ будущего. Идеальным способом для его получения представляется расщепления воды. Однако электролиз воды представляет собой дорогой и опасный для экологии процесс, так как электрический ток, необходимый для его осуществления, получают либо на ТЭС, либо АЭС. Наиболее приятной альтернативой электролизу воды может являться фотолиз.

Катализатор для фотоокисления воды сделан «по образу и подобию» существующего в природе кластера марганца. (Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, doi: 10.1002/anie.200801132)>

Группа исследователей из США и Австралии разработала катализатор, способствующий эффективному фотоокислению воды – полуреакции процесса ее разложения на кислород и водород. Ядро катализатора представляет собой марганецсодержащий комплекс, смоделированный по образу и подобию кластеров, обнаруженных в фотосинтетических организмах.

Электролиз является процессом обратным, по отношению к реакции, протекающей в топливном элементе: в ходе электролиза электрическая энергия преобразуется в химическую. Электролиз воды включает в себя две полуреакции – катодное восстановление водорода и анодное окисление кислорода. Стратегическая цель исследователей – использование солнечного света для реализации этих высокоэндоэргичных процессов. Для достижения этой цели необходима разработка эффективных фотокализаторов окисления кислорода воды и восстановления ионов водорода в молекулярный водород.

Главная проблема, которую приходится при разработке систем расщепления воды – недостаток устойчивых катализаторов, способных к фотоокислению воды. Фактически, самый известный из катализаторов – марганецсодержащий фермент из фотосинтетического аппарата живых организмов. Исследователи под руководством Герхарда Швигерса (Gerhard F. Swiegers) использовали эту структуру для моделирования своего фотокатализатора.

Новый катализатор представляет собой оксокомплекс марганца с кубическим ядром, образованным четырьмя атомами марганца и четырьмя атомами кислорода, стабилизированный фосфонитными лигандами. Каталитически активная частица образуется при диссоциации одного из лигандов от атома марганца.

Полученный комплекс не растворяется в воде. Проблема была решена следующим образом – один из электродов был покрыт тонкой мембраной из нафиона. Частицы катализатора стабилизируются в порах этой мембраны, при этом молекулам водыорганизован легкий доступ к катализатору. Облучение видимым светом при напряжении в 1,2 В приводит к эффективному электроокислению воды.

Анодная полуячейка может быть легко спарена с производящей водород катодной ячейкой. В результате этого можно получить фотоэлектрохимическую ячейку, производящую чистые кислород и водород из воды под действием солнечного света.

Источник: Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, doi: 10.1002/anie.200801132

метки статьи: #биохимия, #кинетика и катализ, #неорганическая химия, #новые материалы, #физическая химия, #элементоорганическая химия