les chimistes d'Argonne Dugan Hayes, Lin Chen, et Ryan Hadt ont identifié un processus électronique rapide qui pourrait faciliter la réaction de séparation de l'eau dans les catalyseurs contenant du cobalt. Les catalyseurs au cobalt sont relativement peu coûteux et pourraient remplacer les catalyseurs de métaux précieux plus chers dans la production d'énergie propre, notamment les combustibles solaires. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
En divisant une molécule d'eau en deux atomes d'hydrogène et un d'oxygène, les scientifiques peuvent utiliser l'énergie illimitée du soleil pour fabriquer un carburant propre. Dans une nouvelle étude du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et de l'Université Harvard, les scientifiques ont pour la première fois pu voir une étape particulièrement importante dans le processus de séparation de l'eau, ce qui peut nous rapprocher d'une énergie solaire abondante pour tous.
Le fractionnement d'une molécule d'eau nécessite un catalyseur métallique pour déclencher la réaction. Récemment, beaucoup d'attention scientifique s'est concentrée sur le cobalt, un catalyseur relativement abondant et peu coûteux qui - dans les bonnes circonstances - peut servir d'escorte à une danse électronique entre hydrogènes et oxygènes.
"Essentiellement, il vous permet d'avoir un instantané focalisé, au lieu de simplement voir un flou chimique. Il est important que nous déterminions les caractéristiques du catalyseur sur l'échelle de temps où les électrons se déplacent."
"Les catalyseurs au cobalt dégageant de l'oxygène sont les composants actifs de technologies telles que les feuilles artificielles et d'autres matériaux dans lesquels vous pouvez récolter la lumière pour conduire la synthèse de combustibles solaires, " a déclaré Ryan Hadt, chercheur postdoctoral à Argonne, un co-premier auteur de l'étude.
La réaction globale de séparation de l'eau a en fait deux moitiés. Les chercheurs se sont concentrés sur la première moitié, appelé oxydation de l'eau, ce qui nécessite le transfert de quatre protons et quatre électrons et aboutit finalement à la formation d'une liaison oxygène-oxygène. Pour ce processus, les oxygènes ont besoin d'un partenaire de danse temporaire, qui est joué par le catalyseur au cobalt.
Mais la raison pour laquelle cette danse n'est pas encore bien comprise est que les transferts et la formation du lien se font en un éclair - l'ensemble du processus prend moins d'un milliardième de seconde. Pour comprendre les nuances de l'action de liaison, les chercheurs devaient effectuer des mesures de spectroscopie d'absorption des rayons X à la source de photons avancée d'Argonne.
Dans leur analyse, les chercheurs se sont concentrés sur une torsion chimique particulièrement intrigante. Au début du processus, un pont de deux atomes d'oxygène relie deux ions cobalt. Chacun des ions cobalt, à son tour, est connecté à sa propre molécule d'eau. À ce point, les choses sont assez stables.
La danse électronique est prête à commencer lorsqu'un ion cobalt ajoute une charge positive supplémentaire, augmentant temporairement un nombre caractéristique que les scientifiques appellent un "état d'oxydation". Dans le cas du cobalt, l'état d'oxydation change, juste un instant, de trois à quatre.
Lorsque deux ions cobalt avec un état d'oxydation de quatre entrent en contact, le processus commence sérieusement. Les transferts de charge provoquent la dissociation des atomes d'hydrogène des molécules d'eau de leurs liaisons oxygène, laissant les atomes de cobalt liés uniquement aux ions oxygène.
Le moment clé suit immédiatement après, lorsque les centres de cobalt reçoivent chacun un électron supplémentaire des atomes d'oxygène nouvellement exposés. Quand cela arrive, une liaison se forme entre les deux oxygènes, créer une étape intermédiaire moléculaire appelée peroxyde, qui peut être rapidement oxydé pour libérer une molécule de dioxygène. Les électrons obtenus à partir de l'eau au cours de ce processus peuvent être utilisés pour fabriquer des combustibles solaires.
En utilisant la source de photons avancée, une installation utilisateur du DOE Office of Science, les chercheurs ont pu mesurer directement les états d'oxydation du cobalt, puis utiliser la théorie pour calculer une quantité connue sous le nom de "couplage d'échange, " une valeur de mécanique quantique qui identifie la relation entre les spins des électrons qui font la navette entre les atomes d'oxygène et de cobalt. Les chercheurs ont découvert que ces spins d'électrons sont dans des directions opposées - dans le jargon scientifique, ils sont couplés antiferromagnétiquement.
"L'antiferromagnétisme joue un rôle important dans la formation de la liaison oxygène-oxygène, " dit Hadt, "car il fournit un moyen de transférer simultanément deux électrons pour créer une liaison chimique."
Le chercheur postdoctoral d'Argonne et auteur de l'étude, Dugan Hayes, a également souligné la capacité unique de la source avancée de photons à résoudre l'emplacement des atomes de cobalt extra-oxydés. "Essentiellement, il vous permet d'avoir un instantané focalisé, au lieu de simplement voir un flou chimique, " a-t-il dit. " Il est important que nous déterminions les caractéristiques du catalyseur sur l'échelle de temps où les électrons se déplacent. "
Un article basé sur la recherche, "Caractérisation in situ des centres cofaciaux Co(IV) en Co
