化学研究的突破可以改变清洁能源技术

据一些估计，一年内到达地球表面的太阳能量大于我们使用不可再生资源可生产的所有能源之和。将阳光转化为电能所必需的技术发展迅速，但是该电能的存储和分配效率低下仍然是一个重大问题，这使得太阳能在大范围上不切实际。

但是，UVA的学院和艺术与科学研究学院，加利福尼亚理工学院和美国能源部的阿贡国家实验室，劳伦斯·伯克利国家实验室和布鲁克海文国家实验室的研究人员取得了突破，可以消除这一过程中的关键障碍，这一发现代表着迈向清洁能源未来的巨大步伐。

利用太阳能的一种方法是使用太阳能将水分子分解为氧气和氢气。该过程产生的氢气以燃料的形式存储，可以从一个地方转移到另一个地方，并根据需要用于发电。为了将水分子分解成它们的组成部分，催化剂是必需的，但是该方法中当前使用的催化材料（也称为氧气逸出反应）的效率不足以使该方法实用。

然而，使用由UVA开发的创新化学策略，由化学教授Sen Zhang和T. Brent Gunnoe领导的一组研究人员使用钴和钛元素生产了一种新型催化剂。这些元素的优点是，它们在本质上比其他常用的包含铱或钌等贵金属的催化材料丰富得多。

化学助理教授张森（左）和英联邦化学教授T. Brent Gunnoe（中）正在领导一项研究项目，该项目将促进新太阳能技术的基础知识的发展。张实验室的四年级研究生Chang Liu（右）是他们在《自然催化》上发表论文的第一作者。

“新工艺涉及在氧化钛纳米晶体表面的原子水平上创建活性催化位点，该技术可产生耐用的催化材料，并且能更好地引发氧释放反应。”张说。“有效制氧反应催化剂的新方法以及对它们的基本了解，是实现可能过渡到大规模使用可再生太阳能的关键。”这项工作是如何通过在原子尺度上调整纳米材料来优化清洁能源技术的催化剂效率的完美例子。

根据Gunnoe的说法，“这项创新以Zhang实验室的成就为中心，代表了一种改进和理解催化材料的新方法，其结果涉及将先进的材料合成，原子能级表征和量子力学理论相结合。”

“几年前，UVA加入了MAXNET能源财团，该财团由8个Max Planck研究所（德国），UVA和Cardiff University（英国）组成，该联盟汇集了致力于电催化水氧化的国际合作。MAXNET Energy是我组与Zhang实验室之间目前共同努力的种子，该努力一直并将继续是富有成果和富有成效的合作。” Gunnoe说。

在阿贡国家实验室和劳伦斯·伯克利国家实验室及其最先进的同步加速器X射线吸收光谱仪用户设施的帮助下，该设施使用辐射来检查原子级的物质结构，研究小组发现催化剂具有定义明确的表面结构，使它们可以清楚地观察到在放氧反应的同时催化剂是如何形成的，并可以准确地评估其性能。

“这项工作使用了来自高级光子源和高级光源的X射线束线，其中包括一部分“快速访问”程序，用于快速反馈循环，以探索新兴的或紧迫的科学思想。 Argonne X-射线物理学家Hua Zhou，是该论文的合著者。“我们非常高兴的是，这两个国家的科学用户机构都可以为这种聪明而整洁的水分解工作做出重大贡献，这将为清洁能源技术的发展提供飞跃。”

先进光子源和先进光源都是美国能源部（DOE）科学办公室用户设施，分别位于DOE的Argonne国家实验室和Lawrence Berkeley国家实验室。

此外，加州理工学院的研究人员使用最新开发的量子力学方法能够准确预测催化剂引起的氧气产生速率，从而使研究小组对反应的化学机理有了更深入的了解。

“五年多来，我们一直在开发新的量子力学技术，以了解氧释放反应的机理，但是在所有先前的研究中，我们无法确定确切的催化剂结构。张的催化剂具有明确定义的原子结构，我们发现我们的理论输出与实验可观察物基本吻合。”加州理工学院化学，材料科学与应用物理学教授William A. Goddard III说。该项目的主要调查员之一。“这为我们的新理论方法提供了首次强有力的实验验证，我们现在可以将其用于预测甚至可以合成和测试的更好的催化剂。这是迈向全球清洁能源的重要里程碑。”

UVA化学系主任吉尔·文顿（Jill Venton）说：“这项工作是UVA和其他研究人员为致力于清洁能源以及这些跨学科合作中令人兴奋的发现而做出的团队努力的一个很好的例子。”

Zhang，Gunnoe，Zhou和Goddard的论文于2020年12月14日发表在《自然催化》上。该论文的共同作者是UVA博士Chang Chang。张组的学生，以及加州理工学院的金谦。戈达德组的学生。其他作者包括UVA本科生Colton Sheehan； UVA博士后学者Zhang Zhiyong；加州理工学院博士后研究员Hyeyoung Shin；劳伦斯·伯克利国家实验室的三名研究员叶一凡，刘一生和郭景华； Argonne国家实验室的两名研究员Wan Gang和Sun Cheng-jun； Brookhaven国家实验室的两名研究员Shuang Li和Sooyeon Hwang。他们的研究得到了美国国家科学基金会和美国能源部资助的用户设施的支持。

参考：刘畅，金谦，叶一凡，周华，孙成军，科尔顿·席汉，张志勇，万刚，易盛，“在明确的板钛矿TiO2纳米棒表面上催化单中心Co的放氧反应”刘，郭晶华，李爽，申慧英，黄素妍，T。布伦特·冈诺伊，威廉·A·戈达德三世和张森，2020年12月14日，自然催化.DOI：
10.1038 / s41929-020-00550-5