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光解水制氢的催化剂新模型

投稿时间:2012-11-10 19:57 投稿人:杨昊光 【字号: 访问量:

在能源危机日渐加剧的今天,寻找新能源成为人类日渐紧迫的任务。对于太阳能的利用,人类仍处在一个低效和低利用率的阶段。氢气不失为新能源的一个优良选择,但目前的制取仍是一个大问题。

我从植物中得到启发。光解水是植物进行光合作用的一个关键步骤。在这个步骤中,叶绿体中的中心色素--两个互相垂直的共轭原子团能吸收太阳光,在激发态从水中夺取电子,生成氧气和氢离子。电子经过传递,最终与氢离子和NADP+生成还原性的NADPH。

联想到水分子中氧原子为不等性sp3杂化,有两个未共用电子对暴露在外。且H-O-H平面与2e--O-2e-平面垂直。氢离子的电子偏向氧原子,氧原子的未共用电子对有向外延伸的趋势并能与另一个缺电子的氢原子形成氢键。

如果先将一分子水用氢键锁定在光催化剂分子内部,用光催化剂的激发态夺取水分子中氧原子的非共用电子(每对中夺取一个),生成[H2O2+],进而生成O*和2H+,同时把夺取的电子通过共轭体系或光致电子转移(PET)传给H+,生成H2;2O*==O2并放出能量。这样,一个催化周期完成了。这与“微电极模型”相似,但这是在一个定型分子内完成的,因而可以有较高的能量利用率。

通过这些推测,我认为该催化剂分子将有两个互相垂直(或近乎垂直)的共轭体系。其中一个为亲核的,另一个为亲电的。两个体系均可接收光子而被激发,两个体系间可以进行光致电子转移。一个可能的催化周期的流程如下:

由于H2O的还原电势为-0.830V,O2的还原电势为-1.230V,卟吩激发态电势可达到2V,故我采用卟吩为光敏中心。又因其有2个缺电子的氢原子在中间,故可直接作为亲电体系。亲核体系应不易与氢气反应,且有未共用电子对,故我采用吡啶环作为它的核心部件。

综上,我初步设计的一个方案如下:

本研究方案为作者原创。由于才疏学浅,难免疏漏,敬请批评指教。