劳伦斯·伯克利国家实验室的新研究揭示了人造光合作用过程中的重大动力学瓶颈-消除瓶颈将提高这些人造系统的效率。
这些瓶颈的发现归功于研究人员对“使用氧化钴进行水氧化中间步骤的暂时解析观察”的首次成功。氧化钴是一种常用的固体催化剂-主要是由于其相对丰度。
稀土氧化物钴的纳米晶体被证明能够有效地进行分裂水分子的关键光合作用反应。罗伊·卡尔施密特（Roy Kaltschmidt）
可以有效和经济地支持水氧化反应的电催化剂的开发是开发经济可行的人工光合作用技术的“关键”之一。这些瓶颈的识别代表了朝着该目标迈出的一大步。
伯克利实验室物理生物科学部的化学家Heinz Frei研究员解释说：“水氧化为分子氧是一个四电子过程，涉及多个步骤。我们已经获得了第一个直接的，在时间上可分辨的观察结果，其中使用了富含地球的固体催化剂氧化钴对水氧化过程中的两个中间步骤进行了观察，从而使我们能够确定动力学瓶颈。有了这些知识，我们可以对氧化钴催化剂及其载体环境进行设计和改进，以部分或完全消除这些瓶颈并提高水氧化效率。”
美国能源部/劳伦斯伯克利国家实验室的新闻稿提供了更多信息：
在人工光合作用系统中，水分子氧化成氧气，电子和质子（氢离子）提供了从二氧化碳和水生产液体燃料所需的电子。这就需要一种既能有效利用太阳光子又能足够快地跟上太阳光通量以避免浪费这些光子的催化剂。它也应该是健壮的并且可以大规模负担得起的。五年前，由弗雷（Frei）领导的一项研究确定了单晶纳米颗粒形式的氧化钴是应对挑战的极佳选择。然而，实现氧化钴纳米晶体的全部催化潜能需要对水氧化四电子循环中的偶发事件有更好的了解。
为了提供这种理解，Frei与Miao Zhang和Moreno de Respinis一起使用了一种称为快速扫描傅立叶变换红外（FTIR）光谱的光谱技术。
“在我们的研究之前，尚不知道在氧化钴微晶表面上发生的催化反应是否以相同的速度在表面上的每个钴中心处发生，还是部分钴位点完成了大部分弗雷说：“当其他子集运行缓慢或仅仅是观众时，游戏就开始运作。”“我们的结果表明，有一部分快速站点发生了相当一部分的催化反应，而一部分站点发生了相当缓慢的催化反应。这些快速和慢速位点的发现以及两者之间建议的结构差异为设计具有较高浓度快速位点的氧化钴表面提供了基础。”
在《自然化学》杂志上发表的一篇论文中详细介绍了新发现。
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