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科学家们以X射线为目标 努力发现新的燃料催化剂

发布时间:2019-02-10 14:58:02

多年来,科学家们一直在寻找一种有效且高效的方法,利用太阳能和风能供电将水转化为储能燃料,可能将水分解为氢气和氧气。为此,他们一直在寻找催化剂,以使这些水分解反应发生。

一段时间以来,研究人员已经知道,许多金属的氧化物,包括熟悉的氧化铁铁锈,能够起到水分解催化剂的作用,特别是当金属氧化物的原子被组织成小团簇时。但是,这些集群或域的活动可能会根据其结构而有很大差异。

在对相关钴氧化物组的一项新研究中,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家试图确定为什么两种具有不同区域尺寸的类似催化剂表现不同。

“我们的研究团队真的很想了解为什么只能在结构域结构上控制不同的钴氧化物具有不同的水分解活性,”化学家David Tiede说,他是Argonne化学科学与工程部门的杰出研究员。 “理解这一点将为更广泛地理解金属氧化物的水分解催化提供一种方法。”

在这项研究中,Tiede及其同事利用Argonne的高级光子源(APS)和纳米材料中心(CNM),以及SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源(SSRL),所有DOE科学办公室用户设施。他们结合了各种不同的X射线技术和CNM的电子显微镜功能,以原子尺度检查这些领域。

“这项研究令人兴奋的是,我们采用了真正的多模式方法,结合了软X射线和硬X射线的能力,”Tiede说。

去年夏天,铁德和其他研究人员在“美国化学学会杂志”上发表了一篇关于这项研究的论文。

“共振X射线技术是提供金属氧化物催化剂的丰富结构和电子信息的有力工具,特别是当它们在结构上不明确时,”Argonne X射线物理学家Jung Ho Kim补充道,他是这些作者之一。

研究小组能够证明催化活性的差异是由原子级的电导率控制的。

当在硼酸盐存在下形成钴氧化物区域时,研究人员发现电子在整个材料中相对快速且平稳地移动。然而,当用磷酸盐形成的钴氧化物时,电荷不容易迁移。

Tiede解释说,造成这种差异的原因是硼酸钴中的钴原子可以在科学家称为混合轨道的情况下彼此共享电子。 “从本质上讲,你可以把钴硼酸盐中的混合轨道视为互联网社交媒体,而磷酸钴中的轨道就像固定电话,”Tiede说。 “通过永远在线的网络连接,信息可以更快地传播。”

硼酸钴中杂化轨道的存在使得该材料成为比磷酸钴更好的水分解催化剂,尽管后者具有更多的活性催化位点。 “能够将电荷转移到活性位点成为决定催化剂效率的关键因素,”Tiede说。

在检查两种钴氧化物时,Tiede和他的团队发现了其他令人惊讶的事情。通常,水分解过程需要键合断裂和键合产生步骤,这是催化中最具挑战性的部分,但在这种情况下,获得足够的电荷到活性位点被证明是最困难的部分。 “对网站的收费足够快是我们学习如何控制的关键设计参数,”Tiede说。

将电荷迁移率与水分解效率相结合对于开发能够有效地将水转化为电的催化剂至关重要。 “你可以拥有世界上最好的空调,但如果你家里的布线很糟糕,你就不会让它正常工作,”Tiede补充道。 “水分裂站点正在做很多复杂的事情,但如果它没有得到足够的电流,那就不会做太多了。”

基于该研究的论文“解决无定形氧化钴催化剂中氧气释放性能的电子和结构因素”,发表在7月20日的“美国化学学会杂志”上。

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