Большой шаг вперед: Новый прорыв может привести к созданию более чистой водородной энергетики

Водородная энергетика — это новый экологически чистый и устойчивый источник энергии, обладающий огромным потенциалом для экологически чистого будущего. Водород, являющийся самым распространенным элементом во Вселенной, может производиться из возобновляемых ресурсов и использоваться в качестве универсального топлива для производства электроэнергии, транспорта и промышленности. При его сгорании в качестве побочного продукта образуется только водяной пар, что делает его перспективным решением для сокращения выбросов парниковых газов и смягчения последствий изменения климата.

Ученые из Канзасского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США добились значительного прогресса в разделении молекул водорода и кислорода для получения чистого водорода без использования ископаемого топлива.

Результаты экспериментов по импульсному радиолизу позволили раскрыть полный механизм реакции для важной группы катализаторов «расщепления воды». Это достижение команды KU и Брукхейвена приближает нас к получению чистого водорода из возобновляемых источников энергии. Это может способствовать более устойчивому развитию страны и всего мира.

Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Понимание того, как протекают химические реакции, в результате которых получается экологически чистое топливо, такое как водород, является очень сложной задачей — данная работа представляет собой кульминацию проекта, который я начал в первый год работы в KU», — сказал соавтор Джеймс Блэкмор, доцент кафедры химии, чьи исследования в Лоуренсе легли в основу этого открытия.

«В нашей статье представлены данные, которые были получены с большим трудом с помощью специальных методов, чтобы понять, как определенный катализатор для получения водорода выполняет свою работу», — сказал он. «Методики, которые использовались как в KU, так и в Брукхейвене, довольно специфичны. Их применение позволило нам получить полную картину получения водорода из его составных частей, протонов и электронов».

Основой прорыва стали исследования Блэкмора в KU. Он перевез свою работу в Брукхейвен для проведения исследований с использованием импульсного радиолиза, а также других методик в Ускорительном центре энергетических исследований. Брукхейвен — одно из двух мест в стране, где имеется оборудование, позволяющее проводить эксперименты по импульсному радиолизу.

«Очень редко удается получить полное представление о полном каталитическом цикле», — говорит соавтор статьи химик из Брукхейвена Дмитрий Полянский. «Эти реакции проходят через множество этапов, некоторые из которых протекают очень быстро и не могут быть легко наблюдаемы».

Блэкмор и его соавторы сделали открытие, изучая катализатор на основе пентаметилциклопентадиенил-родиевого комплекса, который сокращенно называется [Cp*Rh]. Они сосредоточили свое внимание на лиганде Cp* (произносится как C-P-«звезда») в паре с редким металлом родием, поскольку в предыдущих работах были сделаны намеки на то, что такая комбинация подходит для данной работы.

«Наша родиевая система оказалась хорошей мишенью для импульсного радиолиза», — сказал Блэкмор. «Лиганды Cp*, как их называют, знакомы большинству химиков-органиков, да и вообще химиков всех направлений. Они используются для поддержки многих катализаторов и могут стабилизировать различные виды, участвующие в каталитических циклах». Один из ключевых результатов данной работы позволяет по-новому взглянуть на то, как лиганд Cp* может быть тесно вовлечен в химию эволюции водорода».

Однако Блэкмор подчеркнул, что полученные результаты могут привести не только к получению чистого водорода, но и к другим усовершенствованным химическим процессам.

«В нашей работе мы надеемся, что химики увидят исследование о том, как обычный лиганд Cp* может обеспечить необычную реакционную способность», — сказал исследователь KU. Эта необычная реакционная способность имеет отношение к истории с водородом, но на самом деле она гораздо шире, поскольку Cp* встречается во многих различных катализаторах». Обычно химики считают, что катализаторы основаны на металлах. В таком представлении, если вы создаете новую молекулу, то металл является ключевым действующим лицом, объединяющим ее составные части. В нашей работе показано, что это не всегда так. Cp* может участвовать в сшивании частей вместе, образуя продукты».

Блэкмор выразил надежду, что эта работа может стать открытием, которое приведет к усовершенствованию других катализаторов и систем, в которых используются лиганды Cp*. Это открытие, которое было поддержано Национальным научным фондом и Управлением по науке Министерства энергетики США, может найти более широкое применение в промышленной химии. В настоящее время Блэкмор работает над применением методов, подобных тем, которые использовались в данной работе, для разработки новых подходов к переработке ядерного топлива и обращению с актинидами.

В исследованиях, которые легли в основу этого открытия, также принимали участие студенты Университета на уровне магистратуры и бакалавриата.

«Этот проект был очень важным средством обучения студентов», — сказал Блэкмор. «Аспирант Уэйд Хенке, первый автор, сейчас работает в Аргоннской национальной лаборатории в качестве постдока. Аспирант Юн Пенг — второй автор, он начал совместную работу с Брукхейвеном; оба они уже защитили кандидатские диссертации. Студенты также вносили свой вклад в этот проект на протяжении многих лет, предоставляя новые комплексы и идеи, которые мы использовали для построения истории, появившейся в этой работе».

«В целом, я считаю этот проект успешным, и в течение многих лет над ним работала настоящая команда».

Ссылка: «Механистическая роль металло- и лиганд-протонированных видов в эволюции водорода с помощью комплексов [Cp*Rh]», авторы: Wade C. Henke, Yun Peng, Alex A. Meier, Etsuko Fujita, David C. Grills, Dmitry E. Polyansky and James D. Blakemore, 15 мая 2023 г., Proceedings of the National Academy of Sciences . DOI: 10.1073/pnas.2217189120