化學物理量子物理三領域科學家通力合作，新催化劑讓氫能源應用取得關鍵突破
文章來源：新材料在線 更新時間：2021-01-04 14:50:30
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根據(jù)估計，一年內(nèi)到達地球表面的太陽能量要大于我們使用不可再生資源可生產(chǎn)的所有能源之和。過去幾年里，將陽光轉(zhuǎn)化為電能方面的技術發(fā)展迅速，但最大的問題是這些電能的存儲和分配效率低下，這使得太陽能無法在大范圍內(nèi)實現(xiàn)應用。近日，弗吉尼亞大學（UVA）藝術與科學研究院、加州理工學院和美國能源部阿貢國家實驗室、勞倫斯·伯克利國家實驗室和布魯克海文國家實驗室的研究人員在這方面取得了突破，這一發(fā)現(xiàn)代表著向清潔能源未來邁出了關鍵一步。
UVA化學助理教授張森（左）和聯(lián)邦化學教授T. Brent Gunnoe（中）正在領導一項研究項目，該項目旨在提高新太陽能技術的基礎知識。張森實驗室的四年級研究生劉暢（右）是他們在《自然催化》上發(fā)表的這篇論文的第一作者。利用太陽能的一種方法是使用太陽能將水分子分解為氧氣和氫氣。該過程產(chǎn)生的氫氣以燃料的形式存儲，可以從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方，并根據(jù)需求用于發(fā)電。在水分子的分解過程中催化劑是必需的，但目前在析氧反應過程中使用的催化劑材料還不夠有效，因為這個方法還無法實際得到應用。這次上述研究團隊開發(fā)出了創(chuàng)新化學策略，由化學教授張森和T. Brent Gunnoe領導的一組研究人員使用鈷和鈦元素生產(chǎn)了一種新型催化劑。「新工藝涉及在二氧化鈦納米晶體表面的原子層面上創(chuàng)建活性催化位點，該技術可產(chǎn)生耐用的催化材料，并且能更好地引發(fā)析氧反應?！箯埳f。「有效的析氧反應催化劑的新方法以及對它們的基本了解是實現(xiàn)可能過渡到可再生太陽能大規(guī)模使用的關鍵。在原子層級上對納米材料進行調(diào)節(jié)，取得最佳的催化效率，從而促進清潔能源的利用，本次研究在這方面是一個完美示例?！?/span>根據(jù)Gunnoe的說法，「這項創(chuàng)新以張森實驗室的成果為中心，代表了一種改進和理解催化材料的新方法，其結(jié)果涉及將先進的材料合成，原子級表征和量子力學理論相結(jié)合?！?/span>「幾年前，UVA加入了 MAXNET Energy，后者由 8 個馬克思普朗克研究所（德國）相關機構，UVA 和卡迪夫大學（英國）組成，他們致力于電催化水氧化方面的國際合作。MAXNET Energy 播下了一顆種子，在我的小組和實驗室之間的共同努力下，目前我們已經(jīng)形成了高效率、且富有成效的合作?！?/span>在阿貢國家實驗室和勞倫斯·伯克利國家實驗室及其最先進的同步加速器X射線吸收光譜儀科學用戶設施的幫助下，可以使用輻射來檢查原子級的物質(zhì)結(jié)構，研究小組發(fā)現(xiàn)催化劑具有定義明確的表面結(jié)構，這使它們可以清楚地看到催化劑在析氧反應時如何釋放，并可以準確評估其性能。Argonne X 物理學家、本篇論文作者之一周華說：「這項工作使用了來自 Advanced Photon Source 和 Advanced Light Source 的 X 射線束線，其中包括一個『快速訪問』程序，這幫我們探索新的科學想法建立了一個快速反饋機制。我們非常高興的是，這兩個國家科學用戶設施都可以為這項巧妙而整潔的工作做出實質(zhì)性貢獻，這將使清潔能源技術的發(fā)展實現(xiàn)飛躍。」Advanced Photon Source 和 Advanced Light Source 是美國能源部科學用戶設施辦公室，分別位于阿貢國家實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室。在今年初，為對抗 COVID- 19 ，Argonne 研究人員還使用實驗室的高級光子源通過 X 射線晶體學發(fā)現(xiàn)病毒蛋白結(jié)構。此外，加州理工學院的研究人員使用最新開發(fā)的量子力學方法能夠準確預測由催化劑引起的氧氣產(chǎn)生速率，從而使研究小組對反應的化學機理有了更深入的了解。「五年多來，我們一直在開發(fā)新的量子力學技術，以了解析氧反應機理，但在所有先前的研究中，我們無法確定確切的催化劑結(jié)構。張森的催化劑具有明確的原子結(jié)構，并且我們發(fā)現(xiàn)我們的理論輸出在本質(zhì)上與實驗可觀察到的結(jié)果完全吻合?！辜又堇砉W院化學，材料科學和應用物理學教授，該項目的主要研究人員之一威廉·A·戈達德三世說，「這為我們的新理論方法提供了首次強有力的實驗驗證，我們現(xiàn)在可以將其用于預測甚至可以合成和測試的更好的催化劑。這是邁向全球清潔能源的重要里程碑?！?/span>UVA化學系主任吉爾·文頓（Jill Venton）表示：「UVA和其他研究人員實現(xiàn)了跨學科合作，并且在清潔能源方面取得了令人興奮的發(fā)現(xiàn)，這是一個很好的榜樣。」 |
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