Language
Country/Area
No result found
Магия металлов: какие металлические катализаторы могут быстро высвободить кислород и изменить будущее энергетики?
Катализ окисления воды (WOC) предназначен не просто для производства кислорода, но и для изучения будущих возобновляемых источников энергии, особенно в процессе расщепления воды для производства водорода. Сущность окисления воды заключается в превращении воды в кислород и протоны (2 H2O → 4 H+ + 4 e− + O2). Суть этого процесса заключается в использовании катализаторов. Хотя кислород широко доступен в воздухе, катализаторы, повышающие эффективность окисления воды, несомненно, будут играть ключевую роль в развитии чистой энергетики в будущем.
Процесс окисления воды гораздо сложнее, чем окисление сопряженного с ней основного гидроксида.
Типы катализаторов в основном делятся на гомогенные катализаторы и гетерогенные катализаторы, среди которых особое значение имеют металлические катализаторы. Эти катализаторы не только должны быстро работать при низком перенапряжении, но также обладать высокой стабильностью и низкой стоимостью, а предпочтительными являются экологически чистые и нетоксичные компоненты.
Гомогенный катализатор
Рутениевый комплекс
Некоторый прогресс достигнут в реакции окисления воды, катализируемой гидратом Лутана. Эти катализаторы обычно содержат лиганды бипиридинового или трипиридинового типа. В частности, скорость реакции катализаторов, содержащих пиридин-2-карбоновую кислоту, может достигать 300 с-1, что сопоставимо с фотосинтетической системой II. В недавних исследованиях появилось много новых полипиридиновых лигандов.
Комплекс кобальта и железа
Ранние катализаторы WOC на основе кобальта имели проблемы с недостаточной стабильностью. Относительно новый гомогенный катализатор [Co(Py5)(H2O)](ClO4)2 образует частицы [CoIII--OH]2+ посредством реакции переноса электрона с протонной связью, которая затем окисляется с образованием промежуточного соединения CoIV и, наконец, вступает в реакцию с водой Высвободить кислород. Кроме того, полиоксиметаллическое соединение кобальта [Co4(H2O)2(α-PW9O34)2]10− проявляет высокую каталитическую эффективность, а некоторые железосодержащие комплексы также обладают хорошими каталитическими свойствами.
Многие родственные соединения обладают разлагаемыми свойствами, причем большинство из них разлагается в течение нескольких часов.
Иридиевый комплекс
Хотя иридиевый комплекс [Ir(ppy)2(OH2)2]+ имеет большее число реакционных циклов, каталитическая скорость ниже. Заменив ppy на Cp* (C5Me5), можно улучшить каталитическую активность, но уменьшить число циклов. Считается, что нуклеофильная атака воды является одной из причин образования О2.
Гетерогенный катализатор
В этой области оксид иридия служит стабильным первичным катализатором, демонстрирующим низкий перенапряжение. Кроме того, оксидная пленка на основе никеля выделяет кислород почти в нейтральных условиях, демонстрируя сверхнизкое перенапряжение около 425 мВ и стабильность. Методы рентгеновской спектроскопии выявили наличие двойных мю-оксидных мостиков между ионами NiIII/NiIV, но никаких доказательств наличия одиночных мю-оксидных мостиков обнаружено не было.
Оксид кобальта (Co3O4) изучается аналогично другим солям кобальта.
В этом контексте стабильные и эффективные катализаторы можно получить путем адсорбции CoII на наночастицах кремнезема. Эти композиты проявляют хорошую активность в процессе окисления воды, а при гидротермической обработке углеродными материалами могут проявлять превосходные эффекты расщепления воды.
Перспективы на будущее
Разработка катализаторов окисления воды, несомненно, будет иметь большое значение в будущей энергетической экосистеме. По мере углубления исследований мы приближаемся к созданию катализаторов, которые смогут эффективно преобразовывать воду в водородную энергию, что сделает возможным сочетание солнечной энергии и водородной энергии. Представьте себе, как изменится наше энергетическое будущее, если в будущем появятся данные, показывающие, что эту технологию можно широко использовать?
