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新型催化剂突破电解水难题 清洁能源技术新时代将至

如何高效地提取并保存阳光中的清洁能源一直是人类社会的难题。模仿植物的光合作用把阳光转化成化学能源的技术早已被提出,通过阳光照射和催化剂的共同作用,科学家将水电离成氢气和氧气,这两种气体的混合物可燃、易储存、且无污染。但该步骤中所应用的催化剂却成本高昂,无法大规模应用。

近日,美国阿尔贡能源实验室和哈佛大学的一项研究就在催化剂方面取得了显赫的成就。

图丨美国阿尔贡实验室化学家Dugan Hayes, Lin Chen, 以及 Ryan Hadt找到了一种能够通过含钴催化剂加速水电解的过程。含钴催化剂相对而言较便宜,而且可以在产生清洁能源的步骤中代替现存的贵金属催化剂

该团队把钴元素用在了催化步骤中,钴在大自然中相对丰富,成本也相对低廉。在相应的情况下,它能像氢原子和氧原子的舞伴一样为这一场“电子舞蹈”牵线搭桥。

“事实上,我们能通过钴看到反应发生的瞬间片段,而非一个模糊的化学变化。在交换电子的时间尺度上定义催化剂的性质是非常重要的。”

“含钴催化剂是如人工树叶等材料的活性成分,我们能用这种材料合成太阳能燃料。”该论文的第一作者之一,阿尔贡研究员 Ryan Hadt 表示。

电解水反应大体上能被分为两部分。研究者们主要专注于第一部分,也就是水的氧化。这一过程需要转化四个质子和四个电子,并在两个氧原子之间形成共价键,于是就必须有一个其他的原子与氧原子临时成键,这就是我们所需的含钴催化剂。

该反应之所以值得研究,是因为钴与氧成键的过程发生在少于十亿分之一秒之内。为了弄明白这一过程,科学家使用了阿尔贡实验室光子源的X射线吸收光谱进行了详细测量。

通过分析科学家发现,两个氧原子间的共价键与钴离子的轨道进行杂化,这时,每个钴离子都与一个水分子成键。该化合物的化学性质暂时是稳定的。紧接着,水分子会从钴离子上夺取一个电子,也就是把钴离子的化合价从正三价变成了正四价。

如此高价的的钴离子会把氢氧共价键中的氢原子挤走,并代替氢与氧离子成键。此时氢原子已经被解放,钴离子又会把氧离子上多余的两个电子拉走,于是氧也成功被还原了。最后,零价的氢原子和氧原子分别成键形成氢分子和氧分子;这样一来,气态的太阳能燃料就诞生了。

通过阿尔贡光子源,研究者能够在反应过程中直接测量钴的化合价,并通过理论计算一个名为“交换耦合”的量子力学数值。该值定义了氧和钴之间的电子自旋量。研究者认为这些电子对的自旋方向是相反的,也就是说它们具有反铁磁性。

“反铁磁性在氧分子共价键的形成过程中起到了重要作用,”Hadt补充道。“因为它为化学键同时提供两个电子创造了可能。”

而X射线吸收光谱则成功观测到了高价钴离子的位置。“最终,我们看到了反应的具体的位置和过程,我们通过电子的转化看到了催化剂的性质。”

 
 
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