Language
Country/Area
No result found
Sự kỳ diệu của kim loại: Chất xúc tác kim loại nào có thể nhanh chóng giải phóng oxy và thay đổi tương lai năng lượng?
Xúc tác oxy hóa nước (WOC) không chỉ đơn giản là tạo ra oxy mà còn khám phá các nguồn năng lượng tái tạo trong tương lai, đặc biệt là trong quá trình tách nước để tạo ra hydro. Bản chất của quá trình oxy hóa nước là chuyển nước thành oxy và proton (2 H2O → 4 H+ + 4 e− + O2). Cốt lõi của quá trình này nằm ở việc sử dụng chất xúc tác. Mặc dù oxy có sẵn rộng rãi trong không khí nhưng chất xúc tác giúp cải thiện hiệu quả oxy hóa nước chắc chắn sẽ đóng vai trò then chốt trong việc phát triển năng lượng sạch trong tương lai.
Quá trình oxy hóa nước khó khăn hơn nhiều so với quá trình oxy hóa bazơ hydroxit liên hợp của nó.
Các loại chất xúc tác chủ yếu được chia thành chất xúc tác đồng thể và chất xúc tác không đồng nhất, trong đó chất xúc tác kim loại đặc biệt quan trọng. Các chất xúc tác này không chỉ cần hoạt động nhanh ở mức quá điện thế thấp mà còn có độ ổn định cao, chi phí thấp, ưu tiên các thành phần thân thiện với môi trường, không độc hại.
Chất xúc tác đồng nhất
Phức hợp Ruthenium
Đã đạt được một số tiến bộ trong phản ứng oxy hóa nước được xúc tác bởi Lutan hydrat. Những chất xúc tác này thường chứa các phối tử loại bipyridin hoặc tripyridine. Đặc biệt, tốc độ phản ứng của chất xúc tác chứa axit pyridine-2-carboxylic có thể đạt tới 300 s-1, tương đương với hệ thống quang hợp II. Nhiều phối tử polypyridine mới đã xuất hiện trong nghiên cứu gần đây.
Phức hợp coban và sắt
Các chất xúc tác WOC dựa trên coban ban đầu gặp vấn đề là không đủ độ ổn định. Chất xúc tác đồng nhất tương đối mới [Co(Py5)(H2O)](ClO4)2 tạo thành các loại [CoIII--OH]2+ thông qua phản ứng chuyển electron kết hợp proton, sau đó bị oxy hóa để tạo ra chất trung gian CoIV và cuối cùng phản ứng với nước Giải phóng oxy. Ngoài ra, hợp chất coban polyoxymetal [Co4(H2O)2(α-PW9O34)2]10− thể hiện hiệu suất xúc tác cao và một số phức chứa sắt cũng có đặc tính xúc tác tốt.
Nhiều hợp chất liên quan có đặc tính có thể phân hủy và hầu hết phân hủy trong vòng vài giờ.
Phức hợp Iridium
Mặc dù phức iridium [Ir(ppy)2(OH2)2]+ thể hiện số chu kỳ phản ứng cao hơn nhưng tốc độ xúc tác lại thấp hơn. Bằng cách thay thế ppy bằng Cp* (C5Me5), hoạt tính xúc tác có thể được cải thiện nhưng số chu kỳ bị giảm. Sự tấn công nucleophin của nước được cho là một trong những nguyên nhân hình thành O2.
Chất xúc tác không đồng nhất
Trong lĩnh vực này, oxit iridium đóng vai trò là chất xúc tác sơ cấp ổn định, cho thấy mức điện thế quá mức thấp. Ngoài ra, màng oxit gốc niken giải phóng oxy trong điều kiện gần như trung tính, cho thấy mức điện thế cực thấp khoảng 425 mV và độ ổn định. Kỹ thuật quang phổ tia X cho thấy sự hiện diện của cầu nối μ-oxit kép giữa các ion NiIII/NiIV, nhưng không tìm thấy bằng chứng nào về cầu nối μ-oxit đơn.
Coban oxit (Co3O4) đang được nghiên cứu theo mô hình tương tự như các muối coban khác.
Trong bối cảnh này, chất xúc tác ổn định và hiệu quả có thể được điều chế bằng cách hấp phụ CoII trên hạt nano silica. Những vật liệu tổng hợp này cho thấy hoạt động tốt trong quá trình oxy hóa nước và khi chúng được xử lý thủy nhiệt bằng vật liệu carbon, chúng có thể cho thấy hiệu quả tách nước tuyệt vời.
Tầm nhìn tương lai
Sự phát triển của chất xúc tác oxy hóa nước chắc chắn sẽ có ý nghĩa to lớn trong hệ sinh thái năng lượng trong tương lai. Khi nghiên cứu đi sâu hơn, chúng ta đang tiến gần hơn đến việc tạo ra các chất xúc tác có thể chuyển đổi nước thành năng lượng hydro một cách hiệu quả, điều này sẽ tạo ra sự kết hợp giữa năng lượng mặt trời và năng lượng hydro. Hãy tưởng tượng tương lai năng lượng của chúng ta sẽ được định hình lại như thế nào nếu có dữ liệu trong tương lai cho thấy công nghệ này có thể được sử dụng rộng rãi?
