这种“单点”催化剂-意味着整个反应序列发生在一个分子的单个催化位点上-是第一个与催化位点的效率相匹配的催化位点。单点设计和高效率极大地提高了制造高效太阳能-燃料转换装置的潜力。

“最终目标是打破那些分子构建模块-质子和电子-来制造像氢这样的燃料，”布鲁克海文研究员兼首席作者大卫·谢弗(DavidShaffer)在一篇论文中描述了该杂志的工作。美国化学学会。“水氧化循环越有效，我们就能存储的能量越多。”

但是分解水分子并不容易。

“水非常稳定，”负责研究团队的布鲁克海文化学家哈维尔康塞普西翁说。“水可以经历许多沸腾/冷凝循环，并且它保持为H2O。为了获得质子和电子，我们需要使水分子相互反应。”

催化剂充当化学处理器，围绕水分子的资产-电子，氢离子(质子)和氧原子-进行混洗，以使反应发生。

新的催化剂设计基于去年开发的一个研究小组，由研究生严谢领导，该研究也是一个单点催化剂，具有单个分子反应所需的所有组分。这种方法很有吸引力，因为科学家可以优化各部分的排列方式，使反应分子以正确的方式聚集在一起。这种催化剂不依赖于溶液中分子的自由扩散来实现反应，因此即使在固定到表面时它们也倾向于继续起作用，因为它们将存在于真实世界的装置中。

“我们使用计算机建模来研究理论水平的反应，以帮助我们设计分子，”康塞普西翁说。“从计算结果来看，我们知道什么是有效的，这可以节省我们进入实验室的时间。”

在Xie的设计和新的改进中，分子的核心都有一种金属，被科学家可以选择的其他成分所包围，赋予催化剂特殊的性质。反应通过氧化金属开始，金属将电子拉离水分子上的氧。这留下了“带正电”或“活化”的氧和两个带正电的氢(质子)。

“取出电子使得质子更容易释放。但是你需要那些质子去某个地方。如果同时去除电子和质子以防止过量电荷积聚，它会更有效，”康塞普西翁说。“因此，Xie在金属上添加了膦酸基团作为配体，作为接受这些质子的基质，”他解释道。这些膦酸盐基团也使得更容易氧化金属以首先除去电子。

但仍然存在问题。为了激活H2O分子，首先需要它与催化剂中心的金属原子结合。

在第一种设计中，膦酸酯基团与金属强烈结合，以至于它们足够早地防止水分子与催化剂结合以保持该过程平稳运行。这减缓了催化周期。

所以团队进行了替换。他们保留了一个膦酸盐基团作为碱基，但换掉了另一个用于不太紧密结合的羧酸盐。

“羧酸盐基团可以更容易地调整其与金属中心的配位，使水分子进入并在早期发生反应，”Shaffer说。

“当我们试图设计更好的催化剂时，我们首先要弄清楚什么是最慢的步骤。然后我们重新设计催化剂以使这一步更快，”他说。“Yan的工作提高了一步，而其他步骤之一最终成为最慢的一步。因此，在目前的工作中，我们加快了第二步，同时保持第一步快速。”

这种改进将催化剂每秒产生两到三个氧分子转化为每秒产生100个以上的氧分子-相应地增加了可用于制造氢燃料的质子和电子的产生。

“这是一个与每个催化位点的自然光合作用中这种反应速率相当的速率，”康塞普西翁说。“自然光合作用催化剂有四个金属中心，我们只有一个，”他解释道。“但是自然系统非常复杂，有成千上万的原子。在实验室中复制这样的东西是非常困难的。这是一个单一的分子，它的功能与那个非常复杂的系统相同。”

下一步是在装有电极和其他组件的装置中测试新催化剂，以便将质子和电子转换成氢燃料-然后用光吸收化合物提供能量来驱动整个反应。

“我们现在的系统运行良好，所以我们非常有希望，”康塞普西翁说。