کوی دانش - kooy

تسریع مرحله شکل گیری پیوند اکسیژن با اکسیژن در اکسیداسیون آب

تسریع مرحله شکل گیری پیوند اکسیژن با اکسیژن در اکسیداسیون آب
28 اردیبهشت
12:15 1395
دانشمندان سال ها تلاش می کردند تا فوتوسنتز را تقلید کنند، منظور همان روندی است که گیاهان، جلبک ها و برخی از باکتری ها طی آن نورخورشید را مهار می کنند تا آب و دی اکسید کربن را به صورت شیمیایی تبدیل به انرژی ای کنند که برای استفاده در زمانی دیگر ذخیره می شود. نسخه مصنوعی فوتوسنتز می تواند یک منبع انرژی تمیز و تجدید پذیر برای کمک به برطرف سازی تقاضاهای روز افزون جامعه در اختیار بگذارد. به این منظور لازم است بهینگی و سرعت اکسیداسیون آب، همان واکنشی که آب را بدل به گاز اکسیژن، یون های هیدروژنی و الکترون می کند ارتقا پیدا کند.

حال تیمی از دانشمندان از دپارتمان انرژی لابراتوار ملی بروک هیون، دانشگاه آدام میکی ویتز و کالج باروچ، دانشگاه سیتی نیویورک، دو کاتالیزور مولکولی  جدید را برای اکسیداسیون آب ترکیب کرده اند. کاتالیزورهای یاد شده  که در حقیقت کمپلکس های روتنیم احاطه شده توسط مولکولهای متصل به هم (لیگاند) هستند، حاوی گروه های فسفاتی می باشند که شکل گیری پیوند اکسیژن با اکسیژن یعنی مرحله ای که مصرف انرژی آن بسیار بالاست و از سویی آهسته ترین مرحله اکسیداسیون آب می باشد را تسریع می کنند. مطالعات ابتدایی که در مقاله ای در تاریخ 11 می و در ژورنال Angewandte Chemie International Edition منتشر شده نشان می دهد کمپلکس های روتنیم می تواند مسیر کم مصرفی از نظر انرژی را برای تسریع اکسیداسیون آب در اختیار بگذارد.  
خاویر کنسپسیون، یکی از نویسندگان مقاله و شیمیدانی در گروه فوتوسنتز مصنوعی لابراتوار بروک هیون می گوید: "ذخیره سازی انرژی خورشیدی به عنوان سوخت هیدروژن یا سوخت های کربن محور همانند متانول، نیازمند کاتالیزوری است که می تواند آب را با نرخ های بالاتری اکسیده نماید، آنهم به صورتی که بهینگی انرژی بالایی داشته و مدت زمان طولانی تری نیز دوام داشته باشد. کمپلکس های روتنیم شکل گیری پیوند اکسیژن با اکسیژن را سریع تر از هر کاتالیزور شناخته شده ای کاتالیزه می کنند و به ازای هر «مولکول کاتالیزور بر ثانیه» صدها مولکول اکسیژن را تولید می کنند. با وجود کاتالیزوهای یاد شده، توان بالقوه الکتریکی لازم برای آغاز واکنش تقریباً 10 برابر کمتر از باتری AA می باشد."


شکل گیری پیوند اکسیژن با اکسیژن 
در اکسیداسیون آب، تعداد 4 پروتون و 4 الکترون که طی واکنش متوالی برای بدل سازی دی اکسید کربن به انرژی قابل استفاده لازم است، از دو مولکول آب حذف می شوند و پیوند اکسیژن با  اکسیژن به این صورت شکل می گیرد. برای آنکه اکسیداسیون آب رخ بدهد، بایستی پیوندهای بین اتم های هیدروژن و اکسیژن در دو مولکول آب شکسته شود. در ارتباط با فوتوسنتز مصنوعی، کاتالیزوری شیمیایی این جدایی مولکولی را تحریک می کند.
به نوشته یان ژی، نویسنده اول مقاله ای در همین رابطه که کاندید دوره دکتری در دانشگاه استونی بروک و دستیار تحقیقی در گروه فوتوسنتز مصنوعی بروک یون می باشد: "آب، مولکول بسیار ثابتی است، بنابراین واداشتن دو مولکول آب برای واکنش دادن با همدیگر کار بسیار مشکلی است. کمپلکس های روتنیوم همان واکنش پذیری را فراهم می آورد که برای شکستن پیوندهای یاد شده لازم است." مقاله ای که در همین رابطه ارائه شده است جزئیات مجموعه ای از مراحل را توصیف کرده که کاتالیزور با طی کردنشان واکنش را آغاز کرده و کامل می کند و خلاصه آنکه یکی از مولکول های آب به کمپلکس روتنیوم متصل شده و پروتون ها را به موازات اکسیده شدن کمپلکس از دست می دهد (الکترون ها از دست می روند) که این مسئله منتهی به گروه اوکسو-روتنیوم فاقد الکترون می شود. آنگاه به کمک گروه فسفات، مولکول آب دیگر با روتنیوم-اوکسوی یاد شده که واکنش پذیری بالایی دارد واکنش نشان می دهد تا اکسیژن مولکولی (O2) را آزاد نماید. 
به گفته نویسنده همکار این مقاله دیود شافر، که دستیار تحقیق در دپارتمان شیمی بروک هیون نیز می باشد: "گروه فسفات مزبور پروتون ها یا یون های هیدروژن که از منبع آب هستند را می پذیرد و در نزدیکی سایت فعال کمپلکس روتنیوم قرار می گیرد که اکسیداسیون آب در آنجا رخ می دهد. تعبیه کردن گروه فسفات و روتنیوم در کمپلکس مجرد این امکان را فراهم می سازد تا مولکول آب بتواند آن سایت را پیدا کرده و واکنش نشان بدهد." درنهایت، پروتون ها از گروه فسفات به حلال اطراف منتقل می شوند. 


مطاله الکتروشیمی کمپلکس های روتنیومی 
برای تعیین بهینگی و نرخ اکسیداسیون آب با کاتالیزروهای روتونیوم، تیم مزبور اقدام به مطالعه الکتروشیمی هر یک از وضعیت های اکسیداسیون نمودند، به این ترتیب که از ولتاژهای مختلف و اندازه گیری مقدار جریان شناور از میان سیستم برحسب مقادیر pH مختلف (تمرکز پروتون ها در حلال) استفاده کردند. 

 ایده بدین صورت است: "ولتاژی که تجزیه در آن آغاز می شود، راجع به بهینگی انرژی اکسیداسیون آب اطلاعاتی را در اختیار می گذارد، از طرفی جریان نیز سرعت رخ دادن اکسیداسیون را مشخص می کند. کمپلکس های روتنیومی ما مقدار انرژی که به صورت حرارت از دست می رود را هم برحسب ولتاژ و هم برحسب نرخی که برای کاتالیزور لازم است را در صورت تعبیه شدن داخل ابزار و برای استفاده از تمام نورخورشید دریافتی به حداقل میرساند."

 تیم یاد شده به علاوه از مدلسازی کامپیوتری هم برای مطالعه پارامترهای فعالسازی از قبیل انرژی و ترتیب مولکولی بهره گرفت که برای شکستن و شکل دادن پیوندها طی واکنش کلیدی رخ داده بین مولکول آب و گروه اوکسو-روتنیوم ضروی هستند.
مطالعات کامپیوتری دلیل منتهی شدن گروه فسفات به تجزیه سریع تر را روشن ساخته است. گفته می شود: "فسفات از جمله پذیرنده های خوب پروتون است، بنابراین به لحاظ انرژی مصرفی به نفع واکشن می باشد. از آنجایی که بخشی از لیگاند نیز می باشد، در مکان صحیح خود قرار گرفته است و آماده واکنش نشان دادن با آب می باشد که نیاز به ترتیبات مرتب مولکول ها را حذف می کند."
دانشمندان برمبنای مطالعات جداگانه به این نکته پی بردند که یکی از مراحل اکسیداسیون که البته منظور مرحله شکل گیری پیوند اکسیژن به اکسیژن نمی باشد، نرخ تجزیه را محدود می کند. هم اکنون تیم یاد شده درحال توسعه کاتالیزورهای نسل دوم هستند تا این مرحله را بهینه سازی کنند. 
در نهایت نیز امید بر آنست که بتوان با استفاده از فلزاتی همانند آهن و کبالت  که فراوان تر هستند و نسبت به روتنیوم ارزان قیمت تر هم می باشند کاتالیزورهایی ساخت که به همین اندازه واکنشی باشند، اما خصوصیات شیمیایی شان بسیار پیچیده تر باشد. 
به گفته کنسپسون: "با تعبیه این کاتالیزورها داخل سیستم هایی که بتوانند نورخورشید را جذب کنند و ترکیب کردنشان با کاتالیزورهایی که دی اکسید کربن یا آب را  به سوخت تقلیل می دهند، می توان فوتوسنتزهای مصنوعی را به صورت راهبرد عملی برای ذخیره سازی انرژی خورشیدی در قالب سوخت درآورد."

درباره نویسنده

هنگامه خوش خلق

هنگامه خوش خلق

اینجانب فعالیت خود را به عنوان مترجم از سال 88 و با همکاری با انتشارات طاهریان آغاز کردم .و سپس به عنوان کارمند مترجم با شرکت های مختلفی همکاری داشته ام . در این میان لازم به ذکر است که فعالیت های اینجانب علاوه بر ترجمه کتاب (در آخرین مورد نشر آوند دانش)شامل ترجمه مقالات ، همکاری به عنوان مترجم شفاهی در دوره ها و سمینارهای مختلف و کار به عنوان مسئول مکاتبات و مکالمات خارجی شرکت توسعه اطلاعات بوده است .علاوه بر زبان انگلیسی ، آشنایی متوسط با زبان های اسپانیولی و ترکی استانبولی را نیز دارا می باشم .

 

شما اولین نفری باشید که برای این خبر نظر میدهد
تصویر امنیتی



عبارت در تصویر را وارد کنید


محققان راهی برای خودترمیمی کامپوزیتها در دمای بسیار پایین یافتند

محققان راهی برای خودترمیمی کامپوزیتها در دمای بسیار پایین یافتند

دانشمندان روشی را توسعه داده اند که توسط آن موادی که عموماً در صنایع هوایی و ماهواره ها استفاده می شوند می توانند به خودترمیمیِ شکستها و خش های خود در دمای زیر انجماد بپردازند. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه باشید...

مطالعه متن کامل
راه حلی مؤثر و کم هزینه برای ذخیره انرژی خورشیدی

راه حلی مؤثر و کم هزینه برای ذخیره انرژی خورشیدی

چگونه می توان انرژی خورشیدی را برای استفاده در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد ذخیره کرد؟ یک راه حل تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن توسط الکترولیز آب است. این ایده به این صورت است که از الکتریسیته ای که توسط انرژی خورشیدی (پنلهای خورشیدی) بدست می آید برای تجزیه ملوکولهای آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده شود. سپس هیدروژن خالص را می توان بعنوان منبع انرژی الکتریسیته ویا یک منبع سوختی استفاده کرد. اما دقیقاً همینجاست که موضوع پیچیده می شود. حتی با وجود فناوری های مختلفِ تولید هیدروژن و نتایج نوید بخش آزمایشگاهی، هنوز این روش بسیار ناپایدار و گران است و صرفاً برای استفاده های بزرگ تجاری دارای صرفه است. حال، رویکرد جدیدی توسط محققانِ سوئیسی عرضه شده است. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه باشید...

مطالعه متن کامل
تولید سوخت از دی اکسید کربن

تولید سوخت از دی اکسید کربن

در مطالعه ای جدید که توسط دپارتمان انرژی آرگونه از لابراتوار ملی آمریکا و دانشگاه ایلینویز در شیکاگو انجام شد، محققان موفق به یافتن راهی شدند تا با کمک نور آفتاب، دی اکسید کربن را به یک منبع قابل استفاده انرژی تبدیل کنند. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه شوید...

مطالعه متن کامل
قهوه جوشی با قابلیت کشت قارچ

قهوه جوشی با قابلیت کشت قارچ

اگر از زمره عاشقان قهوه هستید و در عین حال قارچ هم از چاشنی های همیشگی غذاهای شماست احتمالاً از همین الان تصمیم قطعی برای خرید این دستگاه را خواهید گرفت. این دستگاه جالب توسط آدریان پرز طراح بارسایی طراحی و تولید شده است. دستگاه های قهوه جوش صرفاً دو دهم درصد از قهوه را تبدیل به نوشیدنی می کنند و مابقی بصورت تفاله دور ریخته می شود. گرچه استفاده از تفاله قهوه بعنوان بستری برای پرورش قارچ موضوع جدیدی نیست ولی در پشت دستگاهی که در ادامه بررسی می کنیم تفکر خلاقانه ای وجود دارد. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه شوید...

مطالعه متن کامل
پیشرفت تکنولوژی پهپادها

پیشرفت تکنولوژی پهپادها

پهپادها بزودی قادر خواهند بود همانند یک پرنده ویا یک حشره بالدار تصاویر محیط را دریافت کرده، پردازش نمایند و بدون نیاز به دخالت نیروی انسانی، رادار وحتی هدایت GPS ماهواره ای راه خود را بیابند. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه شوید...

مطالعه متن کامل
مقادیر زیاد دی اکسید کربن در هوا، باعث کاهش توانایی گیاهان در جذب سایر مواد مغذی خاک می شود.

مقادیر زیاد دی اکسید کربن در هوا، باعث کاهش توانایی گیاهان در جذب سایر مواد مغذی خاک می شود.

افزایش سریع مقادیر دی اکسید کربن در هوا، توانایی گیاهان در جذب نیتروژن را تحت تأثیر قرار می دهد. نیتروژن از جمله مواد مغذی است که برای رشد گیاه در بیشتر اکوسیستم های خشکی حیاتی است. پژوهشگران می گویند میزان غلظت نیتروژن در بافت های گیاه با افزایش دی اکسید کربن در هوا، مستقل از تحریک شدگی رشد گیاه، کاهش می یابد. این پژوهش در نشریه Global Change Biology به زیور طبع آراسته شده است.

مطالعه متن کامل
 چگونه اپ جدید Photos اپل را برای مک تست کنیم؟

چگونه اپ جدید Photos اپل را برای مک تست کنیم؟

شرکت اپل به تازگی نسخه آزمایشی عمومی اپ Photos خود را برای سیستم عامل OS X روانه بازار کرده است. در این مطلب قصد داریم نحوه ثبت نام برای نصب اپ جدید را خدمت خوانندگان عرض کنیم.

مطالعه متن کامل
نگاهی به کانسپت لکسوس ال اف- اس ای

نگاهی به کانسپت لکسوس ال اف- اس ای

اولین مدل لکسوس بیست و پنج سال قبل ساخته شد. حال حدس بزنید این برند گرامیداشت سالگرد عرضه اولین مدل را چگونه جشن گرفته باشد؟ باعرضه یک مینی ماشین لوکس؟ بله! به گفته خود لکسوس، کانسپت ماشین شهری ال اف-اس ای سال گذشته ساخته شد تا بیست و پنجمین سالگرد راه اندازی شرکت بدین وسیله جشن گرفته شود، حال ماشین یادشده رسما ورود خود را طی ماه جاری در نمایشگاه اتومبیل ژنو اعلان داشته است.

مطالعه متن کامل
مطالعه ای نشان می دهد که مردم بعد از 33 سالگی شنیدن موسیقی های جدید را ترک می کنند

مطالعه ای نشان می دهد که مردم بعد از 33 سالگی شنیدن موسیقی های جدید را ترک می کنند

اصطلاحی در جامعه موسیقی می گوید: (درج کردن سبک اینجا) مرده است." آن هایی که از مرگ سبک مورد علاقه شان تاسف می خورند می توانند نشانه ای داشته باشند. مطالعه صورت گرفته توسط آجای کالیا (که ایجادکننده نمودارهای سلیقه ای در Spotify است و وبلاگ Skynet & Ebert را دایر کرده است) عقیده دارد که بیشتر مردم شنیدن موسیقی جدید را در سن 33 سالگی ترک می کند.

مطالعه متن کامل
دو سیاهچاله عظیم ممکن است در 21 سال دیگر بهم برخورد کنند

دو سیاهچاله عظیم ممکن است در 21 سال دیگر بهم برخورد کنند

در مرکز بیشتر کهکشان ها (از جمله کهکشان ما) یک سیاهچاله عظیم وجود دارد که همه چیز را کنار هم نگه می دارد. بهرحال کهکشانی که 10.5میلیارد سال نوری با ما فاصله دارد، بنظر می رسد که دو سیاهچاله داشته باشد. دانشمندان بر این باورند که این دو سیاهچاله تنها در 21 سال دیگر بهم برخورد می کنند.

مطالعه متن کامل