化学者は初めて、表面にイリジウム原子のペアが均一に分布している触媒を入手しました。この触媒は個々の原子の触媒に似ていますが、触媒作用は1つの原子ではなく、2つの原子で起こります。提案された材料の助けを借りて、水分子の光化学的酸化の効率を大幅に高めることが可能である、と科学者たちは全米科学アカデミーの議事録に記事を書いています。
現代の不均一触媒作用における重要な進歩の1つは、基板上に均一に分布した個々の原子を使用して化学反応を触媒する材料の開発です（これについては、英国の化学者Graham Hutchingsへのインタビューで詳しく読むことができます）。貴金属原子は、そのような原子触媒として機能することができます。たとえば、白金は二酸化炭素を酸化したり、不飽和炭化水素を水素化したりするために使用されます。このアプローチは、触媒反応の速度を大幅に増加させますが、触媒作用が1つではなく複数の活性部位を必要とする場合、適用できないか、効果がないことがわかります。
ボストン大学のDunweiWangが率いる米国と中国の化学者は、水の光化学酸化のための新しいタイプの触媒を提案しました。これは、個々の原子の触媒に似た材料で、触媒作用の活性部位は単一原子ではありません。 、しかし原子対-2つの近接したイリジウム原子を同時に。触媒を得るために、科学者たちは2つのイリジウム原子を含む有機二量体錯体を使用しました。これは酸化鉄Fe2O3の基板上に堆積されました。その後、光化学処理により有機配位子を表面から除去し、目的の触媒構造を形成しました。
一対のイリジウム原子に基づく触媒を得るスキーム：酸化鉄担体上への錯触媒の堆積およびその後の表面からの有機配位子の除去
必要な結晶構造の形成は、大きな角度で環状暗視野を使用することにより、原子分解能で表面の顕微鏡画像を取得することを可能にする透過型走査電子顕微鏡のタイプの1つを使用して科学者によって確認されました。
実験的に得られた触媒表面の顕微鏡写真（A）およびコンピューターシミュレーションを使用したもの（E）。以下は、画像の信号強度のプロファイルです（最大ピークはイリジウム原子の位置に対応します）。中央は触媒表面の結晶構造を示しています（上面図と側面図）
科学者たちは、得られた触媒を水2H2O→O2 + 4H + + 4e-の光化学酸化の反応に使用しました。科学者たちは、触媒の効率を、イリジウムナノ粒子と、イリジウム原子がペアではなく一度に1つずつ基板上に分布している同様の材料からなる触媒と比較しました。同じ電位差で、原子蒸気上の触媒は、個々の原子上の触媒よりも2.6倍速く、ナノ粒子で作られた触媒よりも5倍速く、触媒反応の全サイクルを完了することが判明しました。化学者は、この効果は、架橋酸素原子を介して2つのイリジウム原子間に結合が形成される可能性があるため、わずかに異なるメカニズムに従って反応が進行し、触媒の効率を高めることができるという事実に起因すると考えています。
科学者は、得られた触媒は化学的に安定しており、10時間の操作後、材料の顕著な劣化は見られなかったことに注目しています（個々のイリジウム原子およびイリジウムナノ粒子の触媒とは対照的）。
研究の著者によると、これらの触媒は、個々の原子の触媒上ではるかにゆっくりと進行する反応を実行することを可能にするだけでなく、いくつかの活性部位が必要な触媒作用のためのそれらの反応のメカニズムを調査することも可能にします。
水を酸素と水素に電気化学的分解する速度を上げるための効果的なイリジウム触媒は、根本的に異なるアプローチを使用して得ることができることに注意してください。たとえば、米国と韓国の化学者は、触媒の多孔性を高めるために、イリジウム-オスミウム合金からオスミウムを燃焼させることを提案しています。水の分解を促進するために、他の化合物、たとえば酸化セリウムがよく使用されます。その有効性は、反応中の配置エントロピーの変化によって説明されます。
