新型催化劑突破電解水難題 清潔能源技術(shù)新時代將至

如何高效地提取并保存陽光中的清潔能源一直是人類社會的難題。模仿植物的光合作用把陽光轉(zhuǎn)化成化學(xué)能源的技術(shù)早已被提出，通過陽光照射和催化劑的共同作用，科學(xué)家將水電離成氫氣和氧氣，這兩種氣體的混合物可燃、易儲存、且無污染。但該步驟中所應(yīng)用的催化劑卻成本高昂，無法大規(guī)模應(yīng)用。

近日，美國阿爾貢能源實(shí)驗室和哈佛大學(xué)的一項研究就在催化劑方面取得了顯赫的成就。

圖丨美國阿爾貢實(shí)驗室化學(xué)家Dugan Hayes, Lin Chen, 以及 Ryan Hadt找到了一種能夠通過含鈷催化劑加速水電解的過程。含鈷催化劑相對而言較便宜，而且可以在產(chǎn)生清潔能源的步驟中代替現(xiàn)存的貴金屬催化劑

該團(tuán)隊把鈷元素用在了催化步驟中，鈷在大自然中相對豐富，成本也相對低廉。在相應(yīng)的情況下，它能像氫原子和氧原子的舞伴一樣為這一場“電子舞蹈”牽線搭橋。

“事實(shí)上，我們能通過鈷看到反應(yīng)發(fā)生的瞬間片段，而非一個模糊的化學(xué)變化。在交換電子的時間尺度上定義催化劑的性質(zhì)是非常重要的?！?/p>

“含鈷催化劑是如人工樹葉等材料的活性成分，我們能用這種材料合成太陽能燃料?！痹撜撐牡牡谝蛔髡咧唬栘曆芯繂T Ryan Hadt 表示。

電解水反應(yīng)大體上能被分為兩部分。研究者們主要專注于第一部分，也就是水的氧化。這一過程需要轉(zhuǎn)化四個質(zhì)子和四個電子，并在兩個氧原子之間形成共價鍵，于是就必須有一個其他的原子與氧原子臨時成鍵，這就是我們所需的含鈷催化劑。

該反應(yīng)之所以值得研究，是因為鈷與氧成鍵的過程發(fā)生在少于十億分之一秒之內(nèi)。為了弄明白這一過程，科學(xué)家使用了阿爾貢實(shí)驗室光子源的X射線吸收光譜進(jìn)行了詳細(xì)測量。

通過分析科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，兩個氧原子間的共價鍵與鈷離子的軌道進(jìn)行雜化，這時，每個鈷離子都與一個水分子成鍵。該化合物的化學(xué)性質(zhì)暫時是穩(wěn)定的。緊接著，水分子會從鈷離子上奪取一個電子，也就是把鈷離子的化合價從正三價變成了正四價。

如此高價的的鈷離子會把氫氧共價鍵中的氫原子擠走，并代替氫與氧離子成鍵。此時氫原子已經(jīng)被解放，鈷離子又會把氧離子上多余的兩個電子拉走，于是氧也成功被還原了。最后，零價的氫原子和氧原子分別成鍵形成氫分子和氧分子；這樣一來，氣態(tài)的太陽能燃料就誕生了。

通過阿爾貢光子源，研究者能夠在反應(yīng)過程中直接測量鈷的化合價，并通過理論計算一個名為“交換耦合”的量子力學(xué)數(shù)值。該值定義了氧和鈷之間的電子自旋量。研究者認(rèn)為這些電子對的自旋方向是相反的，也就是說它們具有反鐵磁性。

“反鐵磁性在氧分子共價鍵的形成過程中起到了重要作用，”Hadt補(bǔ)充道?！耙驗樗鼮榛瘜W(xué)鍵同時提供兩個電子創(chuàng)造了可能?！?/p>

而X射線吸收光譜則成功觀測到了高價鈷離子的位置?！白罱K，我們看到了反應(yīng)的具體的位置和過程，我們通過電子的轉(zhuǎn)化看到了催化劑的性質(zhì)?！?/p>