化學(xué)物理量子物理三領(lǐng)域科學(xué)家通力合作，新催化劑讓氫能源應(yīng)用取得關(guān)鍵突破
文章來源：新材料在線 更新時(shí)間：2021-01-04 14:50:30
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根據(jù)估計(jì)，一年內(nèi)到達(dá)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(shù)發(fā)展迅速，但最大的問題是這些電能的存儲(chǔ)和分配效率低下，這使得太陽能無法在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。近日，弗吉尼亞大學(xué)（UVA）藝術(shù)與科學(xué)研究院、加州理工學(xué)院和美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)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(guān)鍵一步。
UVA化學(xué)助理教授張森（左）和聯(lián)邦化學(xué)教授T. Brent Gunnoe（中）正在領(lǐng)導(dǎo)一項(xiàng)研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在提高新太陽能技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。張森實(shí)驗(yàn)室的四年級(jí)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(chǔ)，可以從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(yīng)過程中使用的催化劑材料還不夠有效，因?yàn)檫@個(gè)方法還無法實(shí)際得到應(yīng)用。這次上述研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了創(chuàng)新化學(xué)策略，由化學(xué)教授張森和T. Brent Gunnoe領(lǐng)導(dǎo)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(diǎn)，該技術(shù)可產(chǎn)生耐用的催化材料，并且能更好地引發(fā)析氧反應(yīng)。」張森說。「有效的析氧反應(yīng)催化劑的新方法以及對(duì)它們的基本了解是實(shí)現(xiàn)可能過渡到可再生太陽能大規(guī)模使用的關(guān)鍵。在原子層級(jí)上對(duì)納米材料進(jìn)行調(diào)節(jié)，取得最佳的催化效率，從而促進(jìn)清潔能源的利用，本次研究在這方面是一個(gè)完美示例。」根據(jù)Gunnoe的說法，「這項(xiàng)創(chuàng)新以張森實(shí)驗(yàn)室的成果為中心，代表了一種改進(jìn)和理解催化材料的新方法，其結(jié)果涉及將先進(jìn)的材料合成，原子級(jí)表征和量子力學(xué)理論相結(jié)合。」「幾年前，UVA加入了 MAXNET Energy，后者由 8 個(gè)馬克思普朗克研究所（德國）相關(guān)機(jī)構(gòu)，UVA 和卡迪夫大學(xué)（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(shí)驗(yàn)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。」在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室及其最先進(jìn)的同步加速器X射線吸收光譜儀科學(xué)用戶設(shè)施的幫助下，可以使用輻射來檢查原子級(jí)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究小組發(fā)現(xiàn)催化劑具有定義明確的表面結(jié)構(gòu)，這使它們可以清楚地看到催化劑在析氧反應(yīng)時(shí)如何釋放，并可以準(zhǔn)確評(píng)估其性能。Argonne X 物理學(xué)家、本篇論文作者之一周華說：「這項(xiàng)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(gè)『快速訪問』程序，這幫我們探索新的科學(xué)想法建立了一個(gè)快速反饋機(jī)制。我們非常高興的是，這兩個(gè)國家科學(xué)用戶設(shè)施都可以為這項(xiàng)巧妙而整潔的工作做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)，這將使清潔能源技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)飛躍。」Advanced Photon Source 和 Advanced Light Source 是美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，分別位于阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室。在今年初，為對(duì)抗 COVID- 19 ，Argonne 研究人員還使用實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源通過 X 射線晶體學(xué)發(fā)現(xiàn)病毒蛋白結(jié)構(gòu)。此外，加州理工學(xué)院的研究人員使用最新開發(fā)的量子力學(xué)方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測由催化劑引起的氧氣產(chǎn)生速率，從而使研究小組對(duì)反應(yīng)的化學(xué)機(jī)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(xué)技術(shù)，以了解析氧反應(yīng)機(jī)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(gòu)。張森的催化劑具有明確的原子結(jié)構(gòu)，并且我們發(fā)現(xiàn)我們的理論輸出在本質(zhì)上與實(shí)驗(yàn)可觀察到的結(jié)果完全吻合。」加州理工學(xué)院化學(xué)，材料科學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授，該項(xiàng)目的主要研究人員之一威廉·A·戈達(dá)德三世說，「這為我們的新理論方法提供了首次強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們現(xiàn)在可以將其用于預(yù)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。」UVA化學(xué)系主任吉爾·文頓（Jill Venton）表示：「UVA和其他研究人員實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)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(gè)很好的榜樣。」 |
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