La ricerca di approcci sostenibili per generare nuovi combustibili ha riportato gli scienziati a uno dei materiali più abbondanti sulla Terra:l'ossido di ferro rossastro sotto forma di ematite, noto anche come ruggine.

I ricercatori affermano che la ruggine è stata a lungo considerata un materiale potenzialmente attraente per la scissione dell'acqua solare, un processo chiave che le piante impiegano nella fotosintesi. Le piante utilizzano un enzima chiamato fotosistema II (PSII) per assorbire la luce e scindere l'acqua, estrarre elettroni e protoni dalle molecole d'acqua e generare l'ossigeno atmosferico che sostiene la vita sulla Terra.

La ruggine può offrire un modo per imitare l'aspetto della scissione dell'acqua solare della fotosintesi, consentire la generazione di carburante dall'acqua, o combinando protoni ed elettroni per la generazione di idrogeno, oppure utilizzando gli elettroni ei protoni per convertire l'anidride carbonica in combustibili idrocarburici. Il problema, gli scienziati dicono, è che le prestazioni della ruggine in numerosi esperimenti di scissione dell'acqua sono state deludenti rispetto al suo potenziale teorico. Dicono che manchi una comprensione fondamentale del meccanismo di reazione, impedendo lo sviluppo di dispositivi per la scissione solare diretta dell'acqua.

Un nuovo studio di Victor Batista alla Yale University in collaborazione con James Durrant dell'Imperial College, Londra, e Michael Grätzel dell'Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Losanna, Svizzera, offre alcune risposte.

Lo studio fa luce sul meccanismo di ossidazione dell'acqua che si verifica all'interfaccia ossido di metallo/acqua. Uno studio computazionale e sperimentale combinato sul meccanismo di ossidazione dell'acqua ha scoperto che se si cambia l'intensità della luce, cambi anche il meccanismo di scissione dell'acqua sull'ematite. I ricercatori affermano che ciò fornisce preziosi suggerimenti sulla natura dei siti responsabili della reattività sulla superficie dell'ossido.

Lavoro computazionale svolto dal coautore dello studio Ke Yang, un ricercatore post-dottorato nel gruppo Batista, identificati siti catalitici isolati, in condizioni di scarsa intensità luminosa e a due atomi, Nucleo catalitico Fe(OH)-O-Fe(OH)—che sviluppa un potere di ossidazione sufficiente per estrarre elettroni dall'acqua accumulando fino a tre equivalenti ossidanti (elettroni mancanti) in condizioni operative di 1 sole (la piena intensità della luce solare su un chiaro, giornata luminosa). Questo meccanismo imita l'attivazione di PSII durante la fotosintesi, hanno detto i ricercatori.

Lo studio appare sulla rivista Chimica della natura .

"L'integrazione del lavoro computazionale e sperimentale è stata essenziale per chiarire la natura dei siti catalitici su superfici di ossido di metallo piuttosto complicate e la dipendenza del meccanismo di reazione in condizioni di bassa e alta intensità luminosa, " disse Batista.

Nel 2018, Batista è stato coautore di uno studio separato che descriveva simili, catalizzatori a due atomi. I ricercatori hanno detto che la scoperta, insieme al nuovo studio, suggerisce che i nuclei catalitici a due atomi con due centri metallici adiacenti potrebbero essere particolarmente adatti per ottenere un'efficace scissione dell'acqua.

"Produrre ossigeno dall'acqua richiede ossidazioni multiple, " Durrant ha detto. "Sperimentalmente, la chiave del nostro studio è stata l'uso della spettroscopia di assorbimento ottico per misurare come la cinetica dell'ossidazione dell'acqua cambia man mano che accumuliamo più buchi sulla superficie dell'ematite. Questo ci ha permesso di determinare leggi di velocità e costanti di velocità per la reazione; Per esempio, determinare quanti fori devono unirsi per accedere alla fase di limitazione della velocità della reazione, e determinare l'energia di attivazione per la reazione."