Ученым Гарварда удалось запечатлеть процесс разделения молекулы воды на атомы
Москва, 12:33, 05 Июн 2017, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.
Разделяя молекулу воды на два атома водорода и один атом кислорода, ученые могут использовать безграничную энергию солнца для получения чистого топлива. В новом исследовании, проведенном Гарвардским университетом, ученые впервые смогли увидеть особенно важный шаг в процессе разделения воды, который может приблизить нас к обильной солнечной энергии.
Для разделения молекулы воды требуется металлический катализатор. В последнее время большое внимание уделяется кобальту, относительно доступному и недорогому катализатору.
Общая реакция расщепления воды фактически имеет две половины. Исследователи сосредоточились на первой половине, называемой окислением воды, которая требует переноса четырех протонов и четырех электронов, приводя к образованию кислород-кислородной связи. Для этого процесса кислороду нужен кобальтовый катализатор.
Но причина, по которой этот процесс еще недостаточно изучен, заключается в том, что передача и формирование связи происходят внезапно — весь процесс занимает менее миллиардной доли секунды. Чтобы понять нюансы связующего действия, исследователи провели измерения рентгеновской абсорбционной спектроскопии.
В начале процесса мост из двух атомов кислорода соединяет два иона кобальта. Каждый из ионов кобальта, в свою очередь, связан с собственной молекулой воды. На данный момент все довольно стабильно.
Электронный «танец» готов начаться, когда ион кобальта добавит дополнительный положительный заряд, временно увеличивая характеристическое число, которое ученые называют «состоянием окисления». В случае кобальта состояние окисления изменяется на мгновение от трех до четырех.
Когда два иона кобальта с состоянием окисления четыре вступают в контакт, процесс начинается на полную мощность. Передача заряда заставляет атомы водорода молекул воды диссоциировать от их кислородных связей, оставляя атомы кобальта связанными только с ионами кислорода.
Ключевой момент следует сразу же после этого, когда каждый центр кобальта получает дополнительный электрон от вновь открытых атомов кислорода. Когда это происходит, между двумя атомами кислорода образуется связь, создавая молекулярную промежуточную стадию, называемую пероксидом, которая может быть быстро окислена до высвобождения молекулы диоксигена. Электроны, полученные из воды в ходе этого процесса, могут быть использованы для производства солнечных топлив.
Исследователям удалось непосредственно измерить состояния окисления кобальта, а затем использовать теорию для вычисления величины, известной как «обменная связь», квантовомеханической величины, которая идентифицирует взаимосвязь между спинами электронов, которые перемещаются между атомами кислорода и кобальта. Исследователи обнаружили, что эти электроны вращаются в противоположных направлениях, то есть, они антиферромагнетически связаны.
«Антиферромагнетизм играет важную роль в образовании кислородно-кислородной связи, — сказал профессор Хадт, — поскольку он обеспечивает способ одновременного переноса двух электронов для химической связи».
В итоге, ученые впервые получили расположение сверхокисленных атомов кобальта, по сути, получив их сфокусированный снимок, а не просто увидеть химическое размытие.