이 연구는 물 분해 촉매의 주요 부류에 대한 전체 반응 메커니즘을 해명했습니다.

[이매진]

이 연구는 물 분해 촉매의 주요 부류에 대한 전체 반응 메커니즘을 해명했습니다.

https://www.techexplorist.com/tudy-unraveled-entire-reaction-mechanism-key-class-water-splitting-catalysts/60333/

The study unraveled the entire reaction mechanism for a key class of water-splitting catalysts

펄스 방사선 분해 실험은 이전에 관찰된 적이 없는 빠른 반응성을 보여주었습니다.

2023년 5월 16일

에 의해아미트 말레와르

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연구가 수행된 펄스 방사선 분해 연구실의 Dmitry Polyansky(왼쪽)와 David Grills. 여기에서 Grills는 촉매를 방사성 분해 셀에 전달하는 주사기 펌프를 프로그래밍합니다. Polyansky는 흰색 절연 구획 내부의 방사선 분해 셀을 조정합니다. 크레딧: Brrokhaven 국립 연구소

수소는 에너지 산업에 혁명을 일으킬 수 있는 청정 연료입니다. 그러나 수소에 접근하는 것은 복잡한 과정입니다. 그러나 연구자들이 물 분자에서 수소와 산소를 분리할 수 있는 화학 촉매를 개발할 수 있다면 태양열과 같은 재생 에너지원을 사용하여 순수한 수소를 제조할 수 있습니다.

이제 캔자스 대학 과 미국 에너지부(DOE) 브룩헤이븐 국립 연구소의 화학자들은 물 분해 촉매의 주요 부류에 대한 전체 반응 메커니즘을 해명했습니다. 반응이 많은 단계를 거치기 때문에 완전한 촉매 순환을 이해하는 것은 드물며 일부는 매우 빠르고 쉽게 관찰할 수 없습니다.

캔자스 대학의 James Blakemore 부교수는 가능한 후보를 연구하는 동안 펜타메틸사이클로펜타디에닐 로듐 착물 또는 Cp*Rh 착물에 대해 특이한 점을 발견했습니다. 이 촉매는 분자가 일반적으로 안정한 영역에서 반응성을 보였다.

Blakemore는  “금속 착물(유기 스캐폴드로 둘러싸인 금속 중심을 포함하는 분자)은 어려운 반응을 촉매하는 능력 때문에 중요합니다. 일반적으로 반응성은 금속 중심에서 직접 발생하지만 우리의 관심 시스템에서는 리간드 스캐폴드가 화학에 직접 참여하는 것으로 나타났습니다.”

리간드와 반응하는 것이 정확히 무엇인지 확인하려면? 팀이 반응 메커니즘의 활성 단계를 관찰했습니까, 아니면 단지 바람직하지 않은 부반응을 관찰했습니까? 생산된 중간 생성물은 얼마나 안정적이었을까? 과학자들은 입자 가속기의 힘을 이용해 빠르고 관찰하기 어려운 단계를 촉매 사이클 내에서 분리하는 펄스 방사선 분해 기술을 사용했다.

또 다른 논문 공저자인 Brookhaven 화학자 David Grills는  “우리는 상당한 에너지를 운반하는 전자를 매우 높은 속도로 가속합니다. 이 전자가 우리가 연구하고 있는 화학 용액을 통과할 때 용매 분자를 이온화하여 촉매 분자에 의해 차단되는 하전 종을 생성하여 구조가 빠르게 변경됩니다. 그런 다음 시간 분해 분광법 도구를 사용하여 이러한 급격한 변화가 발생한 후 화학 반응성을 모니터링합니다.”

Brookhaven의 화학자 Dmitry Polyansky는  “ 펄스 방사선 분해를 통해 한 단계를 선택하고 신속하게 살펴볼 수 있습니다. 우리의 장비는 100만분의 1초에서 10억분의 1초로 이벤트를 해결할 수 있습니다.”

연구팀은 펄스 방사선 분해와 시간 분해 분광법을 보다 일반적인 전기화학 및 정지 흐름 접근 방식과 결합하여 리간드 스캐폴드에서 발생하는 독특한 반응성의 세부 사항을 포함하여 복잡한 촉매 주기의 각 단계를 이해했습니다.

이 촉매 사이클의 가장 두드러진 특징 중 하나는 리간드의 직접적인 관여였습니다.

그릴스는  “반응의 중간 생성물인 하이드라이드기가 Cp* 리간드로 점프하는 것을 보여줄 수 있었다. 이것은 Cp* 리간드가 반응 메커니즘의 활성 부분임을 입증했습니다.”

과학자들은 이러한 특정 화학적 특성을 포착할 때 보다 효과적이고 안정적이며 경제적인 촉매를 만드는 것이 훨씬 더 간단하다는 것을 알게 될 것입니다.

과학자들에 따르면, 그들의 발견은 다른 촉매에 대한 반응 메커니즘을 이해하기 위한 단서를 제공할 수 있습니다.

저널 참조:

1. 웨이드 헨케, 윤 펭, 외. [Cp*Rh] 복합체를 사용한 수소 발생에서 금속 및 리간드 양성자화 종의 기계적 역할. PNAS . 링크 .