Учёные давно с интересом отмечают, что в одной из важнейших химических реакций природы — реакции выделения кислорода — именно марганец, а не более распространённые подобные элементы, такие как железо, выступает ключевым катализатором.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Sustainability, группа учёных под руководством Рюхэя Накамуры из Центра науки о стабильных ресурсах (CSRS) при Институте физико-химических исследований (RIKEN) в Японии обнаружила, что марганец обладает уникальной способностью действовать даже при колебаниях электрического напряжения, и эта способность имеет решающее значение для его успеха в качестве катализатора.
Это также означает, что марганец может быть хорошим кандидатом для применения в искусственных условиях, например, в ветровой и солнечной энергетике, где электрическая мощность колеблется.
Реакция выделения кислорода использует энергию для высвобождения протонов и электронов из таких соединений, как вода, высвобождая при этом кислород. Эта реакция имеет решающее значение для жизни на Земле, поскольку лежит в основе фотосинтеза. Именно свободный кислород, образующийся в результате этой реакции, позволяет нам и другим формам жизни получать энергию посредством дыхания.
Марганец выступает в качестве основного катализатора в этой реакции в форме оксидного кластера марганца, который может существовать в различных степенях окисления. Когда солнечное или электрическое напряжение колеблется, степень окисления марганца меняется, что позволяет ему многократно запускать реакцию.
Цикличность этого процесса является ключевой особенностью устойчивых реакций, поскольку она позволяет многократно использовать катализаторы. Для идеального катализатора этот процесс мог бы повторяться бесконечно.
Однако реальные катализаторы со временем деактивируются, например, из-за растворения ионов металлов, таких как марганец. Обычно это путь в одном направлении, и потерянные ионы не возвращаются в катализатор.
Однако в текущем исследовании учёные использовали реакцию Гийо (Guyard reaction), в которой ион марганца с окислительным состоянием 7 преобразуется в ион с состоянием 3. Исследователи обнаружили, что, хотя катализатор разлагается, как и ожидалось, при слишком высоком напряжении, с включением реакции Гийо он регенерируется при снятии избыточного напряжения.
В частности, когда исследователи многократно переключали напряжение между 1,68 вольт и 3,00 вольт, катализатор смог поддерживать ток в 250 миллиампер на квадратный сантиметр при pH 2 в течение более чем 2000 часов, что подчёркивает важность разработки путей для устойчивого преобразования энергии из возобновляемых источников.
Регенерация уникальна для марганца, поскольку аналогичные химические элементы в «3d блоке», такие как кобальт, железо и никель, не могут регенерироваться в тех же экспериментальных условиях. Авторы считают, что это основной фактор, объясняющий, почему марганец стал ключевым катализатором в фотосинтезе.
По словам Накамуры, «мы показали, что можно разработать материалы, устойчивые к колебаниям напряжения, с потенциалом для создания в будущем материалов, которые можно будет использовать в водных электролизерах — устройствах, преобразующих воду в кислород и водород — подключённых непосредственно к возобновляемым источникам энергии».
Это связано с тем, что возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая, колеблются в масштабе от секунд до часов.
Накамура заявляет: «Это важная работа, но для того, чтобы создать промышленное применение для этого, нам нужно будет как минимум на порядок увеличить срок службы. Мы занимаемся решением этой проблемы сейчас».