درک بهتر مکانیزم اکسایش آب در فتوستنز مصنوعی

پژوهشگران دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان در یک تحقیقات گسترده موفق به شناسایی نانواکسیدهای منگنز به عنوان ترکیبات فعال در روند اکسایش آب در حضور کمپلکس‌های منگنز شدند. این شناسایی مشخص می‌کند در واکنش‌های اکسایش آب – که از واکنش‌های بنیادی در تولید هیدروژن از آب است– بسیاری از کمپلکس‌های منگنز به نوعی نانوذره اکسید منگنز تجزیه شده و سپس این ترکیب به عنوان کاتالسیت واقعی، آب را اکسید می‌کند. فتوسنتز مصنوعی و شناسایی مکانیزم اکسایش آب می‌تواند در ذخیره ارزان انرژی خورشیدی نقش مهمی داشته باشد.

اخیرا زمینه پژوهشی با عنوان فتوسنتز مصنوعی مورد توجه قرار گرفته است که هدف آن تقلید هوشمندانه از فرآیند فتوسنتز طبیعی در جهت سنتز مواد مفید یا ذخیره انرژی با استفاده از انرژی خورشیدی است. این زمینه موارد مختلفی از تلاش برای تولید گیاهانی با توانایی تولید محصولات بیشتر و مصرف آب کمتر تـا تجزیه آب با کمک نور خورشید و استفاده از هیدروژن به عنوان منبع ذخیره انرژی خورشیدی را در بر می‌گیرد.

در سال‌های اخیر تلاش‌هایی برای دستیابی به موادی که بتوانند آب را به عناصر سازنده‌اش – هیدروژن و اکسیژن- تجزیه کنند در حال انجام است. مهمترین مشکل در تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن، اکسایش آب است که با انرژی فعال‌سازی زیادی همراه است. این انرژی فعال‌سازی نه تنها باعث هدر رفتن مقدار زیادی انرژی می‌شود، بلکه انرژی اضافی اعمال شده باعث اکسایش انواع ترکیبات موجود در آب می‌شود که خود عامل مزاحمی برای اقتصادی شدن این فرآیند است.

کارهای تحقیقاتی انجام شده در دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان از دو مرحله متفاوت برخوردار بود. در مرحله اول تحقیقات گسترده‌ایی در زمینه اکسایش آب به وسیله اکسیدمنگنز صورت گرفت. مجموع نتایج این مرحله از تحقیقات به یک مقاله مروری در این زمینه انجامید. مرحله دوم این کار تحقیقاتی نیز با آزمایشات و مشاهداتی همراه بود که منجر به شناسایی نانواکسیدهای منگنز به عنوان ترکیبات فعال در اکسایش آب در اثر تجزیه کمپلکس‌های منگنز شد.

دکتر محمدمهدی نجف‌پور از دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان، دارنده مقام نخست هشتمین المپیاد دانشجویی و دوازدهمین جشنواره جوان خوارزمی بخش پژوهش‌های بنیادی، با همکاری پروفسور AllakhverdievSuleyman یکی از دانشمندان روسیه موفق به چاپ یک مقاله مروری در زمینه اکسایش آب به وسیله ترکیبات منگنز شدند. دکتر نجف‌پور در این باره گفت: «در مقاله مروری علاوه بر کارهای گزارش شده توسط دیگران، نتایج پژوهش‌های گروه ما شامل استراتژی‌های جدید در سنتز ترکیبات جدید یا به کارگیری اکسیدهای منگنز مختلف در اکسایش آب و همچنین اطلاعات جدید و البته مختصری در مورد مکانیسم واکنش اکسایش آب در حضور اکسیدهای منگنز ارائه شده است.»

کارهای تحقیقاتی که در قالب مقاله مروری نیز ارائه شده است از بخش‌های متفاوتی برخوردار بود. دکتر نجف‌پور از این بخش‌ها چنین نام برده و گفت: «با توجه به این مقاله مروری تهیه شده اکثر کارهای پژوهشی در قالب زیر صورت گرفته بودند: ۱) بررسی و مطالعه آنزیم‌هایی که قادرند با سرعت بالا اکسایش آب را انجام دهند. ۲) طراحی اولیه و مطالعات ترکیباتی که قادرند آب را اکسید کنند. این طراحی با شناسایی هنرهای طبیعت در اکسایش آب می‌تواند هوشمندانه‌تر شود. ۳) سنتز ترکیبات و تلاش برای سنتز ترکیباتی با کارایی بالاتر مثلا کوچک کردن این ذرات در حد نانو. ۴) شناخت مکانیسم و عوامل مختلف تاثیر گذار در اکسایش آب.»

دکتر نجف‌پور با اشاره به این که این کار باعث زمینه‌سازی کارهای تحقیقاتی جدید شده است، بیان کردند که با استفاده از دستاوردهای بدست آمده، تحقیقاتی در مرحله دوم برای شناسایی مکانیزم سیستم اکسایش آب صورت گرفت. جدیدا این تحقیقات در مرحله دوم وارد فاز عملیاتی و آزمایشگاهی پیچیده‌تر شده و تلاش‌های دکتر نجف‌پور به همراهی خانم عاطفه نعمتی مقدم دانشجوی کارشناسی ارشد منجر به شناسایی نانواکسیدهای منگنز به عنوان ترکیبات فعال در روند اکسایش آب در حضور بسیاری از کمپلکس‌های منگنز شده است.

دکتر نجف‌پور اضافه کرد: «در مقاله پژوهشی با بررسی نتایج چندین تکنیک معمول در شیمی و نانوشیمی ابتدا موفق شدیم شباهت‌هایی در واکنش چندین کمپلکس‌ منگنز با سریم (IV) که یک اکسید کننده متداول و پرکاربرد در واکنش‌های اکسایش آب است پیدا کنیم. سپس با بررسی بیشتر نوعی نانواکسید منگنز را در یکی از کمپلکس‌های فعال در اکسایش آب شناسایی کردیم و در نهایت این نانواکسیدها در دیگر واکنش‌ها با کمپلکس‌های مشابه یافت شد. به عبارت ساده ما پیشنهاد کردیم در بسیاری از این نوع واکنش‌ها ابتدا کمپلکس تخریب می‌شود و بعد محصول تخریب که نوعی منگنزاکسید است در واکنش اکسایش آب شرکت می‌کند.»

دکتر نجف‌پور در مورد این مقاله پژوهشی با اشاره به مراحلی که در آن صورت گرفته است، ابراز داشت: «در این کار پژوهشی ابتدا به بررسی بسیاری از مقالات مرتبط با اکسایش آب در حضور کمپلکس‌های منگنز از جمله دستاوردهای همین مقاله مروری پرداخته شد. سپس با سنتز چندین کمپلکس منگنز، بررسی شباهت‌ها و تفاوت‌های واکنش آنها در حضور سریم(IV) صورت گرفت. با بررسی واکنش‌های تخریبی این ترکیبات، تلاش‌هایی برای شناسایی محصولات حاصل از تخریب انجام گردید که این تلاش‌ها منجر به شناسایی نانو اکسید منگنز به عنوان یکی از محصولات تخریب شد.

از آنجا که نانواکسیدهای منگنز ترکیبات بسیار فعالی در اکسایش آب هستند به عنوان کاتالیت واقعی معرفی شده‌اند. از طرفی این نانو ترکیبات منگنز کاربردهای دیگری هم در صنایع پتروشیمی دارند و می‌توانند به عنوان کاتالیست یا اکسید کننده برای اکسایش ترکیبات آلی به دیگر ترکیبات مفید، مورد استفاده قرار گیرند.»

نتایج این مقاله پژوهشی می‌تواند به درک بهتر مکانیسم اکسایش آب و طرح بهتر کاتالیست‌های اکسنده آب منجر شود. همچنین می‌تواند در مورد انتخاب نوع ترکیب و مکانیسم اکسایش آب در حضور کمپلکس‌های منگنز اطلاعات جدید و مفیدی در اختیار پژوهشگران در این زمینه قرار دهد.

نتایج مقاله مروری در مجله International Journal of Hydrogen Energy (جلد ۳۷، شماره ۱۰، می سال ۲۰۱۲) منتشر شده است. علاقمندان می‌توانند متن مقاله را در صفحات ۸۷۵۳ الی ۸۷۶۴ همین شماره مشاهده نمایند. همچنین نتایج مقاله پژوهشی توسط مجله Dalton Transactions روی تارنمای این مجله (DOI:10.1039/C2DT30965C سال ۲۰۱۲) قرار داده شده و به زودی منتشر خواهد شد.