Одна из основных загадок заключается в том, почему природа всегда использует марганец, и этот факт особенно удивителен, учитывая, что марганец неактивен при нейтральном pH, именно так вода встречается в природе. Ученые смогли изобрести множество собственных искусственных катализаторов на основе марганца, но не смогли сделать их активными при нейтральном pH. Теперь, в исследовании, опубликованном в Nature Communications, команда из Центра устойчивых ресурсов RIKEN под руководством Рюхея Накамура сообщила об открытии катализатора на минеральной основе, который может эффективно расщеплять воду на ионы кислорода и водорода (протоны) при нейтральном pH. . По словам Накамуры, ключом к этой работе было понимание, основанное на данных спектрографических исследований, что катализ расщепления воды может быть эффективным только в том случае, если перенос электронов и протонов правильно синхронизирован.
Обычно искусственные катализаторы этого не делают. Имея это в виду, команда разработала новую стратегию для исправления этого несоответствия времени переноса электронов и протонов, и благодаря ей смогла добиться значительного улучшения каталитической активности оксидов марганца при нейтральном pH.Учиться у природы — важная тема этого исследования. По словам Накамуры, «альфа-оксид марганца, который мы использовали в этой работе, является основным компонентом встречающихся в природе минералов марганца.
Мы были удивлены, обнаружив, что даже минеральные оксиды марганца могут эффективно расщеплять воду при нейтральном pH, как только электрон и перенос протонов синхронизирован. Это открытие вдохновило нас на размышления о том, как природа создала обычно неактивный минерал марганец, чтобы он стал активным катализатором расщепления воды ».
Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая, гидроэлектрическая и геотермальная, изменяются со временем, и хранение этой энергии является важной задачей для создания устойчивого общества. Разделение воды можно использовать для преобразования энергии в водород, который затем может быть объединен с кислородом из атмосферы в чистых топливных элементах или с углекислым газом в океанах или атмосфере для создания сырья для углеводородного топлива и материалов.
Накамура надеется использовать эти новые знания для создания электрохимического устройства для разделения воды, которое может работать при нейтральном pH, тем самым используя воду в качестве ресурса для создания новых видов топлива.Для Накамуры у этой работы есть захватывающий потенциал в будущем. «Как видно из цветка в вазе, — объясняет он, — растения могут использовать даже водопроводную воду в качестве источника топлива.
Они не нуждаются в кислотных и щелочных растворах. Другими словами, природа использует безопасные, чистые и обильные форма воды, тем самым создавая по-настоящему устойчивые экосистемы. Я надеюсь, что наши открытия смогут внести свой вклад в использование воды с нейтральным pH в качестве ресурса для производства возобновляемой энергии, что является одной из основ устойчивого человеческого общества ».