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美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們報(bào)告說，一種將單個(gè)銥原子固定在催化劑表面的新方法提高了催化劑分解水分子的效率，使其達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的水平。

這是該方法第一次被應(yīng)用到氧演化反應(yīng)(OER)中。OER是電解過程的一部分，利用電將水分解成氫和氧。

如果由可再生能源提供動(dòng)力，電解可以更可持續(xù)地生產(chǎn)氫燃料和化學(xué)原料，并減少化石燃料的使用。但OER的緩慢步伐一直是其提高效率、以便在公開市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)的瓶頸。

研究小組表示，這項(xiàng)研究的結(jié)果可以緩解這一瓶頸，并為觀察和理解這些單原子催化反應(yīng)中心在現(xiàn)實(shí)工作條件下是如何運(yùn)作的開辟了新的途徑。

他們將研究結(jié)果發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

化學(xué)工業(yè)的支柱

催化劑是化學(xué)工業(yè)的支柱，為可持續(xù)能源的未來提供了希望。就像媒人一樣，它們從流動(dòng)的液體或氣體中抓取分子，并促使它們相互反應(yīng)，而自身不會(huì)被消耗掉。為了使這一過程的效率最大化，催化劑納米顆粒通常分散在多孔材料的表面，這為同時(shí)發(fā)生許多反應(yīng)提供了最大的表面積。

但只有納米粒子外部的原子才能參與催化；內(nèi)在的就被浪費(fèi)了。當(dāng)催化劑是昂貴的貴金屬，如銥或鉑時(shí)，即使是少量的材料浪費(fèi)也很昂貴。因此，科學(xué)家們一直致力于使用這些貴金屬的單個(gè)原子。

每個(gè)原子都是一個(gè)催化反應(yīng)中心。它們的微小尺寸意味著在一個(gè)給定的支撐結(jié)構(gòu)的表面可以容納更多的單位。這大大增加了接觸到反應(yīng)物的活性催化劑的數(shù)量和同時(shí)可以發(fā)生的反應(yīng)的數(shù)量，提高了效率。

在這項(xiàng)研究中，由斯坦福大學(xué)教授Yi Cui和SLAC科學(xué)家Michal Bajdich領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新方法，能夠?qū)蝹€(gè)銥原子固定在支撐表面上。

斯坦福大學(xué)博士后Xueli Zheng和Jing Tang進(jìn)行了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，提供輔助的是SLAC助理科學(xué)家Alessandro Gallo對(duì)x射線數(shù)據(jù)的理論模擬，揭示了哪種構(gòu)型將是最穩(wěn)定和最有效的。

原子錨定

為了制造這種新型催化劑，研究人員首先制造了一種多孔結(jié)構(gòu)來支撐催化反應(yīng)的銥原子。

他們將這種泡沫狀結(jié)構(gòu)暴露在含有銥化合物的溶液中，迅速將其凍結(jié)，在其表面形成一層薄薄的、富含銥的“冰”，并進(jìn)行額外的處理，以創(chuàng)建分布良好的位置，使單個(gè)銥原子緊貼在支撐的表面上。

對(duì)工作中的催化劑的x射線觀察顯示，銥原子處于一種化學(xué)狀態(tài)，這使得它們?cè)谶M(jìn)行釋放氧氣的水分裂反應(yīng)時(shí)異常有效。

其他測(cè)試表明，這種增強(qiáng)的活性完全是由于銥是以單個(gè)孤立原子的形式存在而帶來的，而不是來自于它們擴(kuò)大的表面積。

研究人員報(bào)告說，由此產(chǎn)生的催化劑比目前已知的大多數(shù)銥基催化劑都要好。他們說，這種新的原子錨定系統(tǒng)為探索和建立各種電催化反應(yīng)的催化劑及其支撐結(jié)構(gòu)之間的連接提供了一個(gè)理想的模型。

Cui Yi，斯坦福大學(xué)材料與能源科學(xué)研究所(SIMES)研究員，Michal Bajdich，SUNCAT界面科學(xué)與催化中心研究員，該中心是斯坦福大學(xué)的聯(lián)合研究所，在那里進(jìn)行了理論計(jì)算。

對(duì)催化劑的x射線觀測(cè)是在SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光源(ALS)進(jìn)行的，計(jì)算工作是在國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心(NERSC)進(jìn)行的；這三個(gè)都是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。

來自伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所材料測(cè)量設(shè)施的研究人員也對(duì)這項(xiàng)由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室資助的工作做出了貢獻(xiàn)。 

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