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美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們報告稱，一種將單個銥原子固定在催化劑表面的新方法提高了催化劑分解水分子的效率，達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的水平。
這是該方法首次應(yīng)用于析氧反應(yīng)(OER)。OER是電解過程的一部分，電解過程使用電將水分解成氫和氧。
如果由可再生能源提供動力，電解可以更可持續(xù)地生產(chǎn)氫氣和化學(xué)物質(zhì)，并減少化石燃料的使用。但OER的緩慢步伐一直是其提高效率以在公開市場競爭的瓶頸。
該團(tuán)隊表示，這項研究的結(jié)果可以緩解這一瓶頸，并為觀察和理解這些單原子催化反應(yīng)中心在真實環(huán)境下如何運作開辟了新途徑。
他們的研究結(jié)果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。
化學(xué)工業(yè)的支柱
催化劑是化學(xué)工業(yè)的支柱，為可持續(xù)能源的未來提供了希望。就像媒人一樣，它們從流動的液體或氣體中抓取分子，使它們相互反應(yīng)而不消耗自己。為了使這一過程的效率最大化，催化劑納米顆粒通常分散在多孔材料的表面，這為同時發(fā)生許多反應(yīng)提供了最大的表面積。
但只有納米粒子之外的原子才能參與催化;里面的東西都被浪費了。當(dāng)催化劑是昂貴的貴金屬時，如銥或鉑，即使是少量的材料浪費也是昂貴的。因此，科學(xué)家們一直在研究使用這些貴重金屬的單個原子。
每個原子都是一個催化反應(yīng)中心。它們的微小尺寸意味著更多的單元可以安裝在一個給定的支撐結(jié)構(gòu)的表面上。這大大增加了與反應(yīng)物接觸的活性催化劑的數(shù)量和同時發(fā)生的反應(yīng)的數(shù)量，提高了效率。
在這項研究中，由斯坦福大學(xué)教授Yi Cui和SLAC科學(xué)家Michal Bajdich領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊開發(fā)了一種新方法，能夠?qū)蝹€銥原子附著在支撐表面上。
這項實驗由斯坦福大學(xué)博士后鄭學(xué)麗和唐靜進(jìn)行，由SLAC助理科學(xué)家Alessandro Gallo對x射線數(shù)據(jù)進(jìn)行了理論模擬，揭示了哪種構(gòu)型是最穩(wěn)定和最有效的。
原子錨定
為了制造新的催化劑，研究人員首先創(chuàng)造了一個多孔結(jié)構(gòu)來支持催化反應(yīng)的銥原子。
他們將這種泡沫狀結(jié)構(gòu)暴露在含有銥化合物的溶液中，迅速將其凍結(jié)，在其表面形成一層薄薄的富含銥的“冰”，并進(jìn)行了額外的處理，以創(chuàng)建單個銥原子粘附在支撐表面的均勻分布位置。
對工作中的催化劑的x射線觀察顯示，銥原子處于一種化學(xué)狀態(tài)，使它們在進(jìn)行釋放氧氣的水分裂反應(yīng)時異常高效。
其他測試表明，活動的增加完全是由于銥作為孤立原子的存在，而不是由于它們擴(kuò)大的表面積。
研究人員報告說，由此產(chǎn)生的催化劑比迄今為止已知的大多數(shù)銥基催化劑都要好。他們說，新的原子錨定系統(tǒng)為探索和建立各種電催化反應(yīng)的催化劑及其支撐結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系提供了一個理想的模型。
斯坦福大學(xué)材料與能源科學(xué)研究所(SIMES)的研究員崔毅和斯坦福大學(xué)聯(lián)合研究機構(gòu)SUNCAT界面科學(xué)與催化中心的研究員Michal Bajdich在那里進(jìn)行了理論計算。
在SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)和勞倫斯伯克利國家實驗室的先進(jìn)光源(ALS)進(jìn)行了催化劑的x射線觀測，并在國家能源研究科學(xué)計算中心(NERSC)進(jìn)行了計算;這三個都是能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。
來自伯克利實驗室分子鑄造廠和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所材料測量設(shè)施的研究人員也對這項由美國能源部科學(xué)辦公室資助的工作做出了貢獻(xiàn)。
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