新型催化劑突破電解水難題

OFweek節能環保網訊 如何高效地提取並保存陽光中的清潔能源一yi直zhi是shi人ren類lei社she會hui的de難nan題ti。模mo仿fang植zhi物wu的de光guang合he作zuo用yong把ba陽yang光guang轉zhuan化hua成cheng化hua學xue能neng源yuan的de技ji術shu早zao已yi被bei提ti出chu，通tong過guo陽yang光guang照zhao射she和he催cui化hua劑ji的de共gong同tong作zuo用yong，科ke學xue家jia將jiang水shui電dian離li成cheng氫qing氣qi和he氧yang氣qi

，這zhe兩liang種zhong氣qi體ti的de混hun合he物wu可ke燃ran
、易儲存

、且無汙染。但該步驟中所應用的催化劑卻成本高昂
，無法大規模應用。

近日，美國阿爾貢能源實驗室和哈佛大學的一項研究就在催化劑方麵取得了顯赫的成就。

美國阿爾貢實驗室化學家Dugan Hayes, Lin Chen, 以及 Ryan Hadt找(zhao)到(dao)了(le)一(yi)種(zhong)能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)含(han)鈷(gu)催(cui)化(hua)劑(ji)加(jia)速(su)水(shui)電(dian)解(jie)的(de)過(guo)程(cheng)。含(han)鈷(gu)催(cui)化(hua)劑(ji)相(xiang)對(dui)而(er)言(yan)較(jiao)便(bian)宜(yi)，而(er)且(qie)可(ke)以(yi)在(zai)產(chan)生(sheng)清(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)的(de)步(bu)驟(zhou)中(zhong)代(dai)替(ti)現(xian)存(cun)的(de)貴(gui)金(jin)屬(shu)催(cui)化(hua)劑(ji)

該gai團tuan隊dui把ba鈷gu元yuan素su用yong在zai了le催cui化hua步bu驟zhou中zhong，鈷gu在zai大da自zi然ran中zhong相xiang對dui豐feng富fu，成cheng本ben也ye相xiang對dui低di廉lian。在zai相xiang應ying的de情qing況kuang下xia，它ta能neng像xiang氫qing原yuan子zi和he氧yang原yuan子zi的de舞wu伴ban一yi樣yang為wei這zhe一yi場chang“電子舞蹈”牽線搭橋。

該論文的第一作者之一，阿爾貢研究員 Ryan Hadt 表(biao)示(shi)，團(tuan)隊(dui)能(neng)通(tong)過(guo)儀(yi)器(qi)觀(guan)察(cha)到(dao)反(fan)應(ying)發(fa)生(sheng)的(de)瞬(shun)間(jian)，而(er)非(fei)一(yi)個(ge)模(mo)糊(hu)的(de)化(hua)學(xue)變(bian)化(hua)。在(zai)交(jiao)換(huan)電(dian)子(zi)的(de)時(shi)間(jian)尺(chi)度(du)上(shang)定(ding)義(yi)催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)性(xing)質(zhi)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)。含(han)鈷(gu)催(cui)化(hua)劑(ji)是(shi)如(ru)人(ren)工(gong)樹(shu)葉(ye)等(deng)材(cai)料(liao)的(de)活(huo)性(xing)成(cheng)分(fen)，能(neng)用(yong)這(zhe)種(zhong)材(cai)料(liao)合(he)成(cheng)太(tai)陽(yang)能(neng)燃(ran)料(liao)。

電(dian)解(jie)水(shui)反(fan)應(ying)大(da)體(ti)上(shang)能(neng)被(bei)分(fen)為(wei)兩(liang)部(bu)分(fen)。研(yan)究(jiu)者(zhe)們(men)主(zhu)要(yao)專(zhuan)注(zhu)於(yu)第(di)一(yi)部(bu)分(fen)，也(ye)就(jiu)是(shi)水(shui)的(de)氧(yang)化(hua)。這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)需(xu)要(yao)轉(zhuan)化(hua)四(si)個(ge)質(zhi)子(zi)和(he)四(si)個(ge)電(dian)子(zi)，並(bing)在(zai)兩(liang)個(ge)氧(yang)原(yuan)子(zi)之(zhi)間(jian)形(xing)成(cheng)共(gong)價(jia)鍵(jian)
，於(yu)是(shi)就(jiu)必(bi)須(xu)有(you)一(yi)個(ge)其(qi)他(ta)的(de)原(yuan)子(zi)與(yu)氧(yang)原(yuan)子(zi)臨(lin)時(shi)成(cheng)鍵(jian)
，這(zhe)就(jiu)是(shi)我(wo)們(men)所(suo)需(xu)的(de)含(han)鈷(gu)催(cui)化(hua)劑(ji)。

該(gai)反(fan)應(ying)之(zhi)所(suo)以(yi)值(zhi)得(de)研(yan)究(jiu)
，是(shi)因(yin)為(wei)鈷(gu)與(yu)氧(yang)成(cheng)鍵(jian)的(de)過(guo)程(cheng)發(fa)生(sheng)在(zai)少(shao)於(yu)十(shi)億(yi)分(fen)之(zhi)一(yi)秒(miao)之(zhi)內(nei)。為(wei)了(le)弄(nong)明(ming)白(bai)這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)，科(ke)學(xue)家(jia)使(shi)用(yong)了(le)阿(e)爾(er)貢(gong)實(shi)驗(yan)室(shi)光(guang)子(zi)源(yuan)的(de)X射線吸收光譜進行了詳細測量。

通tong過guo分fen析xi科ke學xue家jia發fa現xian，兩liang個ge氧yang原yuan子zi間jian的de共gong價jia鍵jian與yu鈷gu離li子zi的de軌gui道dao進jin行xing雜za化hua，這zhe時shi，每mei個ge鈷gu離li子zi都dou與yu一yi個ge水shui分fen子zi成cheng鍵jian。該gai化hua合he物wu的de化hua學xue性xing質zhi暫zan時shi是shi穩wen定ding的de。緊jin接jie著zhe，水shui分fen子zi會hui從cong鈷gu離li子zi上shang奪duo取qu一yi個ge電dian子zi
，也ye就jiu是shi把ba鈷gu離li子zi的de化hua合he價jia從cong正zheng三san價jia變bian成cheng了le正zheng四si價jia。

如(ru)此(ci)高(gao)價(jia)的(de)的(de)鈷(gu)離(li)子(zi)會(hui)把(ba)氫(qing)氧(yang)共(gong)價(jia)鍵(jian)中(zhong)的(de)氫(qing)原(yuan)子(zi)擠(ji)走(zou)
，並(bing)代(dai)替(ti)氫(qing)與(yu)氧(yang)離(li)子(zi)成(cheng)鍵(jian)。此(ci)時(shi)氫(qing)原(yuan)子(zi)已(yi)經(jing)被(bei)解(jie)放(fang)，鈷(gu)離(li)子(zi)又(you)會(hui)把(ba)氧(yang)離(li)子(zi)上(shang)多(duo)餘(yu)的(de)兩(liang)個(ge)電(dian)子(zi)拉(la)走(zou)，於(yu)是(shi)氧(yang)也(ye)成(cheng)功(gong)被(bei)還(hai)原(yuan)了(le)。最(zui)後(hou)
，零(ling)價(jia)的(de)氫(qing)原(yuan)子(zi)和(he)氧(yang)原(yuan)子(zi)分(fen)別(bie)成(cheng)鍵(jian)形(xing)成(cheng)氫(qing)分(fen)子(zi)和(he)氧(yang)分(fen)子(zi)；這樣一來，氣態的太陽能燃料就誕生了。

通過阿爾貢光子源，研究者能夠在反應過程中直接測量鈷的化合價
，並通過理論計算一個名為“交換耦合”的量子力學數值。該值定義了氧和鈷之間的電子自旋量。研究者認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。

Hadt補充到，反鐵磁性在氧分子共價鍵的形成過程中起到了重要作用，因為它為化學鍵同時提供兩個電子創造了可能。

而X射線吸收光譜則成功觀測到了高價鈷離子的位置。最終，可以看到反應的具體的位置和過程，並通過電子的轉化看到了催化劑的性質。