Разделение молекулы воды требует, чтобы металлический катализатор получил движение реакции. Недавно, много научного внимания сосредоточилось на кобальте, относительно богатом и недорогом катализаторе, который – при правильных обстоятельствах – может служить эскортом к электронному танцу между hydrogens и oxygens.«По существу это позволяет Вам иметь сосредоточенный снимок, в противоположность просто наблюдению химического пятна. Важно, чтобы мы определили особенности катализатора на временных рамках, которые перемещают электроны».
«Катализаторы развития кислорода кобальта – активные компоненты в технологиях как искусственные листья и другие материалы, в которых Вы можете получить свет, чтобы стимулировать синтез солнечного топлива», заявил Аргонн постдокторский исследователь Райан Хэдт, co-first автор исследования.У полной разделяющей воду реакции на самом деле есть две половины.
Исследователи сосредоточились на первой половине, названной водным окислением, которое требует передачи четырех протонов и четырех электронов и в конечном счете приводит к формированию связи кислородного кислорода. Для этого процесса oxygens нужен временный партнер по танцу, который играется катализатором кобальта.Но причина, этот танец еще не хорошо понят, состоит в том, что передачи и формирование связи происходят во вспышке – целый процесс берет меньше чем одну миллиардную секунды. Чтобы понять нюансы действия соединения, исследователи должны были выполнить измерения Рентгеновской абсорбционной спектроскопии в Продвинутом Источнике Фотона Аргонна.
В их анализе исследователи сосредоточились на особенно интригующем химическом повороте. В начале процесса мост двух атомов кислорода соединяет два иона кобальта. Каждый из ионов кобальта, в свою очередь, связан с его собственной молекулой воды. На данном этапе вещи довольно устойчивы.
Электронный танец готов начаться, когда ион кобальта добавляет дополнительный положительный заряд, временно увеличивая характерное число, что ученые называют «степень окисления». В случае кобальта, изменений степени окисления, просто на мгновение, от три до четыре.Когда два иона кобальта со степенью окисления четыре входят в контакт, процесс начинается всерьез. Передачи обвинения заставляют водородные атомы молекул воды отделять от их кислородных связей, оставляя атомы кобальта соединенными только с кислородными ионами.
Ключевой момент следует немедленно впоследствии, когда кобальт сосредотачивается, каждый получает дополнительный электрон от недавно выставленных атомов кислорода. Когда это происходит, связь создана между двумя oxygens, создав молекулярную промежуточную стадию, названную пероксидом, который может быть быстро окислен, чтобы выпустить dioxygen молекулу. Электроны, полученные из воды во время этого процесса, могут использоваться, чтобы сделать солнечное топливо.
При помощи Продвинутого Источника Фотона, Офиса САМКИ Научного Пользовательского Средства, исследователи смогли непосредственно измерить степени окисления кобальта и затем использовать теорию для вычисления количества, известного как «обменная связь», квант механическая стоимость, которая определяет отношения между вращениями электронов, которые доставлены в челноке между атомами кислорода и кобальта. Исследователи нашли, что эти вращения электронов находятся в противоположных направлениях – в научном языке, они антиферромагнитным образом соединены.
«Антиферромагнетизм играет важную роль в формировании связи кислородного кислорода», сказало HADT, «поскольку это обеспечивает способ одновременно передать два электрона, чтобы сделать химическую связь».Аргонн постдокторский исследователь и автор исследования Дуган Хейз также указал на уникальную способность Продвинутого Источника Фотона решить местоположение дополнительно окисленных атомов кобальта. «По существу это позволяет Вам иметь сосредоточенный снимок, в противоположность просто наблюдению химического пятна», сказал он. «Важно, чтобы мы определили особенности катализатора на временных рамках, которые перемещают электроны».
Статья на основе исследования, «Характеристика на месте cofacial Ко (IV) центры в Co4O4 cubane: Моделирование высокого-valent активного места в развивающих кислород катализаторах», появился в выпуске 27 марта Слушаний Национальной академии наук.