Спецтемы

Ученые создали обратимый катализатор для превращения электричества в водород и обратно

Солнечные батареи
Автор: Сергей Кузнецов

Хранение электричества в виде топлива, позволит солнечной энергии продолжать работать в темное время суток и штормовые дни. Задача состоит в создании катализатора, который может подтолкнуть реакции производства водорода, а позже разорвать полученное топливо с высвобождением энергии. Природа делает это каждый день с помощью крошечных микроорганизмов, живущих в прудах. Их ферменты работают в обоих направлениях, обратимо, при комнатной температуре и давлении, без добавления энергии.

Ученые из США создали катализатор, который имитирует подобные природные водородные ферменты. Это было достигнуто за счет стабилизации структуры катализатора путем присоединения аминокислоты, имитирующей особенности ферментов и контролирующей движение протонов.

Найденный способ превратить электричество в топливо, поможет в развитии солнечной и ветровой энергии, а также топливных элементов. Создание и использование такого топлива требует быстрого и эффективного катализатора.

Ключевой проблемой в катализаторе является его работа с минимально затрачиваемой энергией и в обоих направлениях. Входящая энергия неразрывно связана с перемещением протонов. Каталитический цикл будет медленным, если протоны не смогут эффективно двигаться. В этом исследовании, учеными проложена «тропинка» для протонов. Теперь катализатор ускоряет движущиеся протоны, а не блокирует их.

Синтетический катализатор, где реакция протекает на внешней молекуле, имеет большое значение для обратимой реакции между топливом из молекулярного водорода и электроэнергией. Реакция предполагает или объединение двух протонов и двух электронов для получения водорода, или расщепление водорода, чтобы освободить электроны, создав электрический ток.

Уравнение Н2 < -- > 2Н+ (протоны) +2е- (электроны).

После разделения Н2, протоны легко переходят из никелевого сердечника катализатора в периферию, позволяя катализатору подготовиться к очередному циклу реакции.

Чтобы построить путь для протонов, ученые добавили слой из природных аминокислот фенилаланина на периферию катализатора. Аминокислоты создают более сильные межмолекулярные взаимодействия в периферии. Такая конструкция позволила катализатору достичь одной из самых удивительных особенностей фермента: каталитической обратимости.

Обратимость происходит из-за взаимодействия фенильных колец в фенилаланине. Пути движения протона из никеля в активном центре, лежат через аминокислоты, а затем карбоксильную группу, СООН, растворителя. Этот простое, но контролируемое движение протонов имеет решающее значение для обратимости.

Катализатор расщепляет водород-водородные связи в Н2 для получения протонов при комнатной температуре. Он также рекомбинирует протоны для получения Н2. То есть, он действует обратимо, без каких-либо дополнительных затрат энергии. Процесс требует взаимодействия между фенильными группами и путями протонов. Новый синтетический катализатор является одновременно быстрым и эффективным.

Ученые считают, что это только начало. Комплекс достаточно быстро работает в обоих направлениях, но достижимы и более быстрые обратимые катализаторы.


Прокомментировать








Выбор читателей



Это интересно