图片来源：Pixabay / CC0公共领域
据相关估计，每年到达地球表面的太阳能总量超过了我们利用不可再生资源所产生的能源总和。将太阳能转化为电能的必要技术迅速发展，但储存和分配太阳能的效率低下仍然是一个重大问题，导致太阳能的大规模应用难以实现。然而,一项来自弗吉尼亚大学(UVA)、加州理工学院艺术科学研究生院、美国能源部的阿贡国家实验室、伦斯伯克利国家实验室以及布鲁克海文国家实验室的研究人员取得的重大突破性研究，可以消除这一过程中的一个关键障碍，该发现代表朝着清洁能源的未来迈出的一大步。
使用太阳能的方法之一是利用太阳能把水分子电解成氧气和氢气。这个过程产生的氢气可以作为燃料储存起来，从而实现能源的转运，并在需要的时候用来发电。为了将水分子分解，催化剂是必要的，但目前在这个过程(也称为析氧反应)中使用的催化材料，其效率还不足以支撑实用。
然而，利用弗吉尼亚大学开发的一种创新化学策略，由化学教授Sen Zhang和T. Brent Gunnoe领导的研究团队用钴和钛元素生产出了一种新型催化剂。钴钛元素的优点是，它们在自然界中比其他常用的催化剂贵金属材料(如铱或钌)要丰富得多。
“新工艺涉及在氧化钛纳米晶体表面的原子层面上创建活性催化位点，该技术可生产出一种耐用的催化材料，并且更易触发析氧反应。”Sen Zhang说，“该制造高效析氧反应催化剂的新方法以及增强对它们的基本理解是可能过渡到可再生太阳能大规模使用的关键。这项工作是如何在原子尺度上调整纳米材料来优化清洁能源技术催化剂效率的一个完美例子。”
Gunnoe表示，“这项创新以Sen Zhang实验室的成果为中心，代表了一种完善和理解催化材料的新方法，其成果综合了先进材料合成、原子水平表征和量子力学理论。”
图片来源：Pixabay
“几年前，弗吉尼亚大学加入了MAXNET能源联盟，该联盟由八个马克斯普朗克研究所(德国)、弗吉尼亚大学和卡迪夫大学(英国)组成，国际合作的努力聚焦于电催化水氧化研究。MAXNET能源是目前我的团队和Zhang实验室共同努力的源头，也将持续是一项卓有成效的合作。”Gunnoe说。
在阿贡国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室及其先进的同步加速器x光吸收光谱用户设施(使用辐射在原子层面上检验物质的结构)的帮助下,研究小组发现,该催化剂具有良好的表面结构,能够让他们清楚地观察到催化剂在析氧反应中的演化,并准确地评价其性能。
“这项工作使用了来自先进光子源与先进光源的x射线光束，包括部分‘快速访问’计划，用于快速反馈回路，以探索紧急或紧迫的科学思想，”论文的合著者、阿贡x射线物理学家Hua Zhou表示。“我们非常兴奋，这两个国家的科学用户设备可以做出实质性的贡献，进行如此干净利落的水分离工作，这将是清洁能源技术的一项巨大飞跃。”
先进光子源和先进光源分别是位于美国能源部阿贡国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的美国能源部办公室下的科学用户设施。
此外，加州理工学院的研究人员使用新开发的量子力学方法，能够准确预测催化剂产生氧气的速率，这为研究小组提供了反应化学机理的详细理解。
“五年多来，我们一直在开发新的量子力学技术来理解析氧反应机理，但在之前的所有研究中，我们没有确定确切的催化剂结构。“Zhang的催化剂具有明确定义的原子结构，我们的理论输出基本上与实验观测结果完全一致，”加州理工学院的化学、材料科学和应用物理学教授William a . Goddard III说，他也是该项目的主要研究者之一。“这为我们的新理论方法提供了第一个强有力的实验验证，我们现在可以用它来预测更好的可被合成和测试的催化剂。这是全球清洁能源发展的一个重要里程碑。”
弗吉尼亚大学化学系主任Jill Venton说:“这项工作是弗吉尼亚大学和其他在清洁能源领域研究人员团队努力的一个范例，也是这些跨学科合作中一项令人振奋的发现。”
