Как катализатор расщепляет воду?

Кристаллическое соединение, называемое диоксид рутения, широко используется в промышленных процессах, где оно особенно важно для катализа химической реакции, которая расщепляет молекулы воды и выделяет кислород. Но точный механизм, который происходит на поверхности этого материала, и то, как эта реакция зависит от ориентации кристаллических поверхностей, никогда не были детально определены. Теперь команда исследователей из Массачусетского технологического института впервые смогла непосредственно изучить процесс на атомном уровне.

О новых результатах сообщается в этом месяце в журнале Nature Catalysis, в статье профессора Массачусетского технологического института Яна Шао-Хорна, недавних аспирантов Решма Рао, Мануэля Колба, Ливии Джордано и Жаклин Лангер, а также еще 10 человек в Массачусетском технологическом институте, Аргоннской национальной лаборатории, и другие учреждения.

Работа включала годы сотрудничества и итеративный процесс компьютерного моделирования каталитического процесса между атомами и точных экспериментов, в том числе с использованием уникальной синхротронной рентгеновской установки в Аргонне, которая позволяет проводить атомное исследование поверхности материала.

«Я думаю, что захватывающий аспект работы состоит в том, что мы немного расширяем границы нашего понимания катализа расщепления воды», — говорит Шао-Хорн. «Мы пытаемся узнать, что происходит на поверхностных кислородных участках в условиях реакции, что является критическим шагом к определению активных участков для расщепления воды».

Каталитический процесс, известный как реакция выделения кислорода, имеет решающее значение для производства водорода и аммиака для использования в энергетике, получения синтетического углерод-нейтрального топлива и получения металлов из оксидов металлов. И в настоящее время, по словам Шао-Хорна, поверхности из диоксида рутения являются «золотым стандартом катализаторов расщепления воды».

Хотя процесс расщепления воды для отделения атомов кислорода от двух присоединенных атомов водорода на поверхности катализатора может показаться простым, на молекулярном уровне этот интерфейс довольно сложный. У вас действительно большое количество молекул воды, и ваша поверхность может быть полностью разупорядочена и иметь одновременно несколько процессов. «Чтобы разобраться во всем этом, первое, что мы делаем, это уменьшаем сложность, имея действительно четко определенные поверхности монокристалла, где точное местоположение каждого атома было определено с помощью синхротронного рентгеновского рассеяния для исследования поверхности».

«Используя эту технику, мы можем в основном увеличить этот верхний слой», — говорит Рао, — «Затем они могут изменять напряжение, приложенное к поверхности, чтобы увидеть, как влияет процесс окисления воды. В новом исследовании, поскольку исследователи определили места активности и реакции для различных ориентаций поверхности кристалла, они смогли включить эту информацию в свое молекулярное моделирование на компьютере. Это позволило им лучше понять энергетику реакций, происходящих при определенных атомных конфигурациях на поверхности».

Источник

Метки: вода