화학자들은 수소 발생 촉매의 반응 메커니즘을 밝혀냈습니다.

캔자스 대학교와 미국 에너지부(DOE)의 브룩헤이븐 국립 연구소의 화학자들은 핵심 종류의 물 분해 촉매에 대한 전체 반응 메커니즘을 밝혀냈습니다. 그들의 연구는 미국국립과학원회보(PNAS)에 게재되었습니다.

전체 촉매 주기를 완전히 이해할 수 있는 경우는 매우 드뭅니다. 이러한 반응은 여러 단계를 거치며, 그 중 일부는 매우 빠르고 쉽게 관찰할 수 없습니다.

빠른 중간 단계로 인해 과학자들은 촉매 반응의 가장 중요한 부분이 어디서, 언제, 어떻게 발생하는지, 따라서 촉매가 대규모 응용 분야에 적합한지 정확히 해독하기가 어렵습니다.

캔자스 대학교의 제임스 블레이크모어(James Blakemore) 부교수는 가능한 후보물질을 연구하던 중 특히 한 촉매제에서 특이한 점을 발견했습니다. 펜타메틸사이클로펜타디에닐 로듐 복합체 또는 Cp*Rh 복합체라고 불리는 이 촉매는 분자가 일반적으로 안정적인 영역에서 반응성을 보여주었습니다.

금속 복합체(유기 지지체로 둘러싸인 금속 중심을 포함하는 분자)는 어려운 반응을 촉매하는 능력이 중요합니다. 일반적으로 반응성은 금속 중심에서 직접 발생하지만 관심 있는 시스템에서는 리간드 지지체가 화학에 직접 참여하는 것으로 나타났습니다.

그렇다면 리간드와 정확히 무엇이 반응했습니까? 팀이 실제로 반응 메커니즘의 활성 단계를 관찰했습니까, 아니면 단지 바람직하지 않은 부반응을 관찰했습니까? 생산된 중간산물은 얼마나 안정적이었는가? 이와 같은 질문에 답하기 위해 Blakemore는 Brookhaven Lab의 화학자들과 협력하여 펄스 방사선 분해라는 전문 연구 기술을 사용했습니다.

펄스 방사선분해는 입자 가속기의 힘을 활용하여 촉매 주기 내에서 빠르고 관찰하기 어려운 단계를 분리합니다. Brookhaven의 에너지 연구 가속기 센터(ACER)는 연구소의 첨단 입자 가속기 단지 덕분에 이 기술을 수행할 수 있는 미국 내 단 두 곳의 장소 중 하나입니다.

우리는 상당한 에너지를 운반하는 전자를 매우 빠른 속도로 가속합니다. 이러한 전자가 우리가 연구 중인 화학 용액을 통과할 때 용매 분자를 이온화하여 촉매 분자에 의해 차단되는 전하를 띤 종을 생성하고 구조가 빠르게 변경됩니다. 그런 다음 시간 분해 분광학 도구를 사용하여 이러한 급격한 변화가 발생한 후 화학 반응성을 모니터링합니다.

분광학 연구는 분자 구조의 지문으로 생각할 수 있는 스펙트럼 데이터를 제공합니다. 과학자들은 이러한 특징을 알려진 구조와 비교함으로써 단기간 촉매 반응의 중간 생성물 내에서 물리적, 전자적 변화를 해독할 수 있습니다.

펄스 방사선 분해를 통해 우리는 한 단계를 선택하고 매우 짧은 시간 단위로 살펴볼 수 있습니다. 우리가 사용한 계측은 100만분의 1초에서 10억분의 1초까지 이벤트를 해결할 수 있습니다.

펄스 방사선 분해와 시간 분해 분광학을 보다 일반적인 전기화학 및 정지 흐름 기술과 결합함으로써 연구팀은 리간드 비계에서 발생하는 비정상적인 반응성의 세부 사항을 포함하여 복잡한 촉매 주기의 모든 단계를 해독할 수 있었습니다.

이 촉매 주기의 가장 주목할만한 특징 중 하나는 리간드가 직접적으로 관여한다는 것입니다. 종종 분자의 이 영역은 단지 관찰자일 뿐이지만 우리는 이 종류의 화합물에 대해 아직 입증되지 않은 리간드 내 반응성을 관찰했습니다. 우리는 반응의 중간 생성물인 수소화물 그룹이 Cp* 리간드로 뛰어오르는 것을 보여줄 수 있었습니다. 이는 Cp* 리간드가 반응 메커니즘의 활성 부분임을 입증했습니다.

이러한 정확한 화학적 세부 사항을 포착하면 과학자들이 순수한 수소 생산을 위한 보다 효율적이고 안정적이며 비용 효과적인 촉매를 훨씬 쉽게 설계할 수 있습니다.

연구원들은 또한 그들의 발견이 다른 종류의 촉매에 대한 반응 메커니즘을 해독하기 위한 단서를 제공할 수 있기를 바라고 있습니다.