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化学物理量子物理三领域科学家通力合作,新催化剂让氢能源应用取得关键突破

根据估计,一年内到达地球表面的太阳能量要大于我们使用不可再生资源可生产的所有能源之和。

过去几年里,将阳光转化为电能方面的技术发展迅速,但最大的问题是这些电能的存储和分配效率低下,这使得太阳能无法在大范围内实现应用。

近日,弗吉尼亚大学(UVA)艺术与科学研究院、加州理工学院和美国能源部阿贡国家实验室、劳伦斯·伯克利国家实验室和布鲁克海文国家实验室的研究人员在这方面取得了突破,这一发现代表着向清洁能源未来迈出了关键一步。
UVA化学助理教授张森(左)和联邦化学教授T. Brent Gunnoe(中)正在领导一项研究项目,该项目旨在提高新太阳能技术的基础知识。张森实验室的四年级研究生刘畅(右)是他们在《自然催化》上发表的这篇论文的第一作者。

利用太阳能的一种方法是使用太阳能将水分子分解为氧气和氢气。该过程产生的氢气以燃料的形式存储,可以从一个地方转移到另一个地方,并根据需求用于发电。
在水分子的分解过程中催化剂是必需的,但目前在析氧反应过程中使用的催化剂材料还不够有效,因为这个方法还无法实际得到应用。

这次上述研究团队开发出了创新化学策略,由化学教授张森和T. Brent Gunnoe领导的一组研究人员使用钴和钛元素生产了一种新型催化剂。

「新工艺涉及在二氧化钛纳米晶体表面的原子层面上创建活性催化位点,该技术可产生耐用的催化材料,并且能更好地引发析氧反应。」张森说。

「有效的析氧反应催化剂的新方法以及对它们的基本了解是实现可能过渡到可再生太阳能大规模使用的关键。在原子层级上对纳米材料进行调节,取得最佳的催化效率,从而促进清洁能源的利用,本次研究在这方面是一个完美示例。」
根据Gunnoe的说法,「这项创新以张森实验室的成果为中心,代表了一种改进和理解催化材料的新方法,其结果涉及将先进的材料合成,原子级表征和量子力学理论相结合。」

「几年前,UVA加入了 MAXNET Energy,后者由 8 个马克思普朗克研究所(德国)相关机构,UVA 和卡迪夫大学(英国)组成,他们致力于电催化水氧化方面的国际合作。MAXNET Energy 播下了一颗种子,在我的小组和实验室之间的共同努力下,目前我们已经形成了高效率、且富有成效的合作。」

在阿贡国家实验室和劳伦斯·伯克利国家实验室及其最先进的同步加速器X射线吸收光谱仪科学用户设施的帮助下,可以使用辐射来检查原子级的物质结构,研究小组发现催化剂具有定义明确的表面结构,这使它们可以清楚地看到催化剂在析氧反应时如何释放,并可以准确评估其性能。

Argonne X 物理学家、本篇论文作者之一周华说:「这项工作使用了来自 Advanced Photon Source 和 Advanced Light Source 的 X 射线束线,其中包括一个『快速访问』程序,这帮我们探索新的科学想法建立了一个快速反馈机制。我们非常高兴的是,这两个国家科学用户设施都可以为这项巧妙而整洁的工作做出实质性贡献,这将使清洁能源技术的发展实现飞跃。」

Advanced Photon Source 和 Advanced Light Source 是美国能源部科学用户设施办公室,分别位于阿贡国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室。在今年初,为对抗 COVID- 19 ,Argonne 研究人员还使用实验室的高级光子源通过 X 射线晶体学发现病毒蛋白结构。
美国阿贡国家实验室

此外,加州理工学院的研究人员使用最新开发的量子力学方法能够准确预测由催化剂引起的氧气产生速率,从而使研究小组对反应的化学机理有了更深入的了解。

「五年多来,我们一直在开发新的量子力学技术,以了解析氧反应机理,但在所有先前的研究中,我们无法确定确切的催化剂结构。张森的催化剂具有明确的原子结构,并且我们发现我们的理论输出在本质上与实验可观察到的结果完全吻合。」加州理工学院化学,材料科学和应用物理学教授,该项目的主要研究人员之一威廉·A·戈达德三世说,「这为我们的新理论方法提供了首次强有力的实验验证,我们现在可以将其用于预测甚至可以合成和测试的更好的催化剂。这是迈向全球清洁能源的重要里程碑。」
UVA化学系主任吉尔·文顿(Jill Venton)表示:「UVA和其他研究人员实现了跨学科合作,并且在清洁能源方面取得了令人兴奋的发现,这是一个很好的榜样。」

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