一支國際研究團(tuán)隊利用SLAC國家加速器實驗室的X射線激光器,首次精確追蹤了光驅(qū)動金屬化合物的最外層電子重排并轉(zhuǎn)換為活性催化劑的超快過程。該項研究有助于開發(fā)新型的光催化劑,相關(guān)成果發(fā)表于4月2日的《自然》期刊(Nature, 2015, DOI: 10.1038/nature14296)。 這項研究的負(fù)責(zé)人、德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心科學(xué)家Philippe Wernet說道:“在數(shù)百飛秒(即千萬億分之一秒)的時間尺度內(nèi),我們確定了光驅(qū)動作用下,化合物最外層電子的重排過程”。研究者們希望通過了解這些微觀反應(yīng)的細(xì)節(jié)讓他們開發(fā)出預(yù)測和控制一些重要的早期化學(xué)反應(yīng)過程的方法,包括人工光合作用體系的開發(fā)。 在SLAC的直線加速器相干光源(LCLS)所進(jìn)行的實驗中,研究對象是一種稱為Fe(CO)5(五羥基鐵)的淡黃色液體。在該化合物中,一氧化碳“刺”環(huán)繞著鐵原子中心的周圍。Fe(CO)5可作為光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的模型分子。 研究人員發(fā)現(xiàn),將該化合物置于陽光下,5個一氧化碳“刺”的其中一個裂開了,分子中剩余的電子重新進(jìn)行排布。最外層電子的排布將決定該化學(xué)分子的反應(yīng)性,包括它能否生成有效的催化劑以及反應(yīng)將如何進(jìn)行。 讓人不能了解的是,這一光觸發(fā)性反應(yīng)發(fā)生的速度有多快,分子在最終變?yōu)榉(wěn)定物質(zhì)前的短暫中間態(tài)是什么。 在LCLS,他們使用光纖激光器脈沖撞擊該鐵化合物其中的一條細(xì)“刺”,該化合物與乙醇溶劑混合。敏感的探測器捕捉到僅僅幾百飛秒后,一束極亮的X射線脈沖刺入分子中。通過改變X射線脈沖的到達(dá)時間,科學(xué)家們捕捉到分子轉(zhuǎn)化過程中最外部電子的重排情況。 大約有半數(shù)經(jīng)X射線照射的分子進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)態(tài),它們的最外層電子很容易與其它分子結(jié)合。因此,這些電子要么與原來的分子再結(jié)合,要么與乙醇分子結(jié)合形成新的化合物。剩下約半數(shù)的分子,最外層電子的排布使之形成穩(wěn)定構(gòu)型而處于非活潑狀態(tài)。 Wernet 表示,能夠在這么短的時間觀察到這一反應(yīng),實在令人振奮,下一步準(zhǔn)備將LCLS試驗從模型分子轉(zhuǎn)移到太陽能燃料分子上。
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