Достигнут новый прорыв в электрохимической визуализации реакции окисления воды

Исследовательская группа под руководством академика Ли Цаня и профессора Фань Фэнтао из Даляньского института химической физики Академии наук Китая совместно с командой профессора Ли Цзяньфэна из Университета Сямэня совершила новый прорыв в электрохимической визуализации реакции окисления воды. Используя собственную технологию электрохимической визуализации с высоким пространственным разрешением в сочетании с спектроскопической характеристикой in situ, учёные обнаружили, что реакция окисления воды не определяется простыми статическими активными центрами, а управляется динамической структурной адаптацией активных центров, вызванной накоплением поверхностного заряда, что регулирует пути реакции и кинетическое поведение на разных кристаллических гранях.

Реакция окисления воды является ключевым этапом в солнечном фотокаталитическом разложении воды, которое считается «святым Граалем» науки для получения чистого возобновляемого солнечного топлива. Она включает скоординированный перенос нескольких электронов и протонов, что делает её основным узким местом, ограничивающим общую эффективность. Долгое время оставалось трудным напрямую наблюдать динамическую связь между поверхностным зарядом, активными центрами и реакционными интермедиатами в реальных реакционных средах из-за сложности границы раздела твёрдое тело-жидкость. Для решения этой проблемы исследователи разработали метод электрохимической визуализации in situ с нанометровым пространственным разрешением, который позволил визуализировать локальную реакционную активность и кинетические процессы на поверхности гетерогенных нанокатализаторов в жидкой фазе.

Исследование показало, что эффективная реакция окисления воды зависит от механизма кооперативного накопления множества дырок (положительных зарядов). Дырки служат не только «носителями заряда», необходимыми для реакции, но и участвуют в регулировании поверхностной структуры катализатора, вызывая динамическую адаптацию активных центров в процессе реакции. Это открытие смещает парадигму понимания механизма каталитического окисления воды от традиционной «модели статического активного центра» к «модели динамической системы, опосредованной зарядом», и предлагает новую идею для проектирования катализаторов искусственного фотосинтеза следующего поколения. Работа знаменует собой переход от визуализации «разделения и переноса заряда» к «процессам реакции на реальной жидкостной границе раздела», что является важным прорывом в создании системы для изучения пространственно-временной визуализации полного процесса искусственного фотосинтеза.