Ученые из университетов Пенсильвании и Вирджинии разработали процесс расщепления молекул воды, катализируемый специально разработанными алюминий содержащими кластерами. В результате этого процесса можно получать молекулярный водород. Новый метод демонстрирует интересные свойства алюминиевых кластеров, основанные на их геометрии: помимо электрических свойств кластеров процесс расщепления воды обусловлен также расположением их реакционно активных центров

Это открытие опубликовано 23 января 2009 года в журнале Science.

Этот рисунок изображает реакцию алюминий содержащих кластеров с водой, в результате которой образуются молекулы водорода. В нижней части рисунка изображена молекула воды (красный шарик – атом кислорода и белые шарики – атомы водорода), которая будет подвергнута расщеплению на поверхности алюминиевого кластера. Голубые участки – это сайты со свойствами кислоты Льюиса (акцепторы электронов), оранжевые участки – сайты со свойствами основания Льюиса (доноры электронов). Справа вверху на рисунке показаны несколько молекул воды, связанные с активными центрами алюминиевого кластера. Слева вверху изображено выделение молекул водорода (два белых шарика, окруженные оранжевым электронным облаком)

«Наши предыдущие исследования были посвящены электрическим свойствам, которые могут проявлять алюминиевые кластеры, а в новой работе мы показали, что некоторая геометрия атомов внутри кластеров может способствовать реакции расщепления молекул воды,  – рассказывает профессор Физического и Химического факультетов университета Пенсильвании (Penn State University, PSU) Велфорд Кэстлман (A. Welford Castleman Jr.).  – На самом деле, эти результаты помогут разработать новый вид наноразмерных катализаторов, механизм действия которых зависит от расположения атомов в кластере. Исследуемые нами эффекты фактически обрисовывают новую область исследований, которая распространяется не только на реакции с участием молекул воды, но также рассматривает возможности разрыва прочих связей в молекулах».

Группа ученых из университетов PSU и VCU (Virginia Commonwealth University) изучила процесс протекания реакции воды на одиночных алюминиевых кластерах с помощью специально разработанного для измерения параметров процесса проточного реактора. Эксперименты позволили выявить, что связывание молекулы воды происходит между двумя алюминий содержащими участками, один из которых выполняет функцию кислоты Льюиса (положительно заряженный центр, который является акцептором электронов), а другой – основания Льюиса (отрицательно заряженный донор электронов). Механизм расщепления молекулы воды с помощью кластера заключается в том, что алюминий, представляющий собой кислоту Льюиса и стремящийся получить электроны, связывается с атомом кислорода, в то время как основание Льюиса захватывает один атом водорода, что приводит к расщеплению молекулы воды. Повторение этого процесса на другой паре активных центров кластера позволяет высвободить еще один атом водорода, которые затем образуют молекулу газообразного водорода (Н₂).

Ученые также обнаружили, что алюминиевые кластеры в зависимости от их размеров и геометрии проявляют различную способность к описанному процессу катализа. Три разновидности кластеров осуществляют этот процесс при комнатной температуре. «Возможность получать водород при комнатной температуре очень важна, поскольку это означает, что нам не придется нагревать или затрачивать дополнительную энергию для запуска реакции, – комментирует профессор Физического факультета VCU Шив Ханна (Shiv Khanna). – Классические методы расщепления молекулы воды для получения молекулярного водорода в первую очередь характеризуются необходимостью высоких затрат энергии. Разработанный нами метод позволит получать водород, не сопровождая этот процесс нагреванием, использованием гальванических элементов – совершенно не используя электричество. Требуется только один раз синтезировать алюминиевые кластеры, и с их помощью можно получать необходимое количество водорода, не заботясь о его накоплении и хранении».

Профессор Ханна предвосхитил также направления дальнейших исследований группы: это поиск возможности переработки алюминиевых кластеров для их последующего использования и разработка технологии управления процессом выработки водорода. «Если нам удастся найти возможность удалять (ОН-)-группы, которые остаются в составе кластеров после протекания реакции, то мы сможем многократно использовать этот реагент для получения водорода».

В дальнейших планах исследовательской группы  – оптимизация этого нового и перспективного метода. Работа проводится в рамках научных исследований, финансируемых Управлением ВВС США.

Мария Костюкова