По-ефективно разлагане на водата, подсказано от природата

Разлагането на водата е една от базовите реакции, поддържащи живота на Земята, и би могла да бъде ключ към създаването на горивата на бъдещето.

Тази реакция има главно място във фотосинтезата – процеса, в който растенията произвеждат глюкоза и кислород от вода и въглероден двуокис, използвайки енергията на слънчевата светлина.

Но все още този процес крие множество загадки. Природните катализатори, спомагащи разлагането на водата, съдържат манган вместо доста по-разпространените елементи – желязо, мед или никел. Тези катализатори са изключително ефективни. Учените отдавна се питат защо това е така и как могат да бъдат имитирани природните системи.

Основната загадка е защо природата винаги използва манган, при положение че той е доста инертен в среда с неутрален pH, а точно такава среда е водата в естествени условия.

Учените отдавна са в състояние да синтезират изкуствени катализатори на базата на мангана, но до този момент не са успявали да ги направят активни при неутрален pH. Сега, в статия в Nature Communications, екип от RIKEN Center for Sustainable Resource Science с ръководител Рюхеи Накамура съобщава за откриването на катализатор, който може ефективно да разлага водата на кислород и водородни йони (протони) при неутрален pH.

Според Накамура ключово в тази разработка е осъзнаването, че ефективна катализа при разлагане на водата е възможна само ако трансферът на протони и електрони е правилно синхронизиран. В общия случай изкуствените катализатори не постигат това.

Екипът на Накамура е намерил нов начин за получаване на необходимата синхронизация. Така се постига значително усилване на каталитичната активност на мангановите окиси при неутрален pH.

Намереното решение на проблема до голяма степен е подсказано от природата.

„Алфа-мангановият окис, който използвахме в тази разработка, е основна съставка на природните манганови минерали – обяснява Накамура. – Ние бяхме изненадани от откритието, че точно минералните манганови окиси могат ефективно да разлагат водата при неутрален pH. Необходимо е само да се синхронизират времената за трансфер на електроните и протоните. Това откритие ни накара да се замислим върху това, как природата успява да превърне инертните манганови минерали в активни, разлагащи водата, катализатори.“

Кристална структура на алфа-MnO₂, използван за разлагане на водата. Алфа-MnO₂ е основната съставка на минерала холандит. За оптимизиране на времената на трансфер на електроните и протоните е добавен пиридин.

Възобновяемите енергийни източници – слънчеви, вятърни, водни и геотермални – са непостоянни във времето. Съхраняването на тяхната енергия е от решаваща важност. Разлагането на водата дава поне две възможни решения на задачата:

– производство на водород, представляващ екологично чисто гориво;

– преобразуване на атмосферния и разтворения в океаните въглероден двуокис във въглеводородни горива и материали.

Накамура се надява да използва получените нови знания за конструиране на електрохимично устройство за разлагане на водата. По този начин водата ще се превърне в източник на нови горива.

За Накамура тази разработка има вълнуващ потенциал за бъдещо развитие:

„Както се вижда от цветето във вазата, растенията използват дори чешмяната вода за производство на гориво. Те не се нуждаят нито от киселинни, нито от основни разтвори. С други думи, Природата използва сигурната, чиста и неизчерпаема вода, за да създава устойчиви екосистеми. Аз се надявам, че нашите открития ще допринесат за употребата на водата като източник на възобновяема енергия. Това е една от основите на устойчивото човешко общество.“