過去幾年，將太陽轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)發(fā)展非常迅速。將水分子分解為氫氣和氧氣，以燃料的形式把產(chǎn)生的氫氣儲存下來，并根據(jù)需求用于放電，是一種利用太陽能的新方法。

但目前析氧反應(yīng)（OER）中所用的催化材料還不夠高效，所以這個方法無法在實(shí)際中得到應(yīng)用。能使這項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，是尋找水分子分解過程中析氧反應(yīng)（OER）的高效催化劑。

在過去的十年里，人們一直在努力尋找新的析氧反應(yīng)（OER）催化劑，通過對析氧反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的研究，從而為開發(fā)改進(jìn)的催化劑提供的新的方法。在這之中，對多相 OER 催化作用至關(guān)重要卻尚未解決的兩個問題是：如何識別和構(gòu)建定義明確的高效 OER 催化作用的催化中心，以及如何明確描繪 OER 和在該中心的競爭反應(yīng)的原子機(jī)制和動力學(xué)。

近日有研究人員利用鈷和鈦元素生產(chǎn)了一種新型催化劑，并基于最新開發(fā)的量子力學(xué)計(jì)算（GCQM）和原位與離位光譜探針驗(yàn)證的單中心鈷原子結(jié)構(gòu)，揭示了析氧反應(yīng)（OER）的機(jī)制。

2020 年 12 月 14 日，弗吉尼亞大學(xué)（UVA）藝術(shù)與科學(xué)研究院的張森團(tuán)隊(duì)與加州理工學(xué)院和美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯-伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作在 Nature Catalysis 雜志發(fā)表了一篇論文，標(biāo)題為《催化單點(diǎn) Co 在板鈦礦二氧化鈦納米棒表面上的析氧反應(yīng)》（Oxygen evolution reaction over catalytic single-site Co in a well-defined brookite TiO2 nanorod surface）。

該篇文章提供了一種新工藝，即在二氧化鈦納米晶體表面的原子層面上創(chuàng)建活性催化位點(diǎn)，可產(chǎn)生耐用的催化材料并能夠更好地引發(fā)析氧反應(yīng)。論文還基于最新開發(fā)的量子力學(xué)計(jì)算（GCQM），對析氧反應(yīng)（OER）動力學(xué)實(shí)驗(yàn)理論進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)證。這一研究成果代表著向清潔能源未來邁出了關(guān)鍵一步。

圖 | 弗吉尼亞大學(xué)（UVA）化學(xué)助理教授張森（左）和聯(lián)邦化學(xué)教授T. Brent Gunnoe（中）正在領(lǐng)導(dǎo)一項(xiàng)研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在提高新太陽能技術(shù)的基礎(chǔ)知識。張森實(shí)驗(yàn)室的四年級研究生劉暢（右）是他們在《自然催化》上發(fā)表的這篇論文的第一作者。

根據(jù)聯(lián)邦化學(xué)教授 T. Brent Gunnoe 的講述：“這項(xiàng)創(chuàng)新以張森實(shí)驗(yàn)室的成果為中心，代表了一種改進(jìn)和理解催化材料的新方法，其結(jié)果涉及先進(jìn)的材料合成，原子級表征和量子力學(xué)理論?！?/p>

在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的幫助下，研究團(tuán)隊(duì)采用原位擴(kuò)展x光吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜（EXAFS）和原位同步輻射 x 光衍射（SRXRD），對樣本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出了鈷通過單中心取代均勻地?fù)诫s在納米棒中，并且在析氧反應(yīng)（OER）條件下是穩(wěn)定的這一結(jié)果。此外，來自加州理工學(xué)院的研究人員還利用最新開發(fā)的量子力學(xué)計(jì)算方法（GCQM）對析氧反應(yīng)速率進(jìn)行預(yù)測，其預(yù)測結(jié)果與張森團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

Argonne X 物理學(xué)家、本篇論文作者之一周華說：“這項(xiàng)工作使用了來自 Advanced Photon Source 和 Advanced Light Source 的 X 射線束線，其中包括一個‘快速訪問’程序，用于快速反饋循環(huán)，以探索新興的或緊迫的科學(xué)思想。我們非常高興的是，這兩個國家科學(xué)用戶設(shè)施都可以為這項(xiàng)巧妙而整潔的工作做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)，這將使清潔能源技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)飛躍。”

加州理工學(xué)院材料科學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授，該項(xiàng)目主要研究人員之一 William A. Goddard III 說：“五年多來，我們一直在開發(fā)新的量子力學(xué)技術(shù)，以了解析氧反應(yīng)機(jī)理，但在所有先前的研究中，我們無法確定確切的催化劑結(jié)構(gòu)。張森的催化劑具有明確的原子結(jié)構(gòu)，并且我們發(fā)現(xiàn)我們的理論輸出在本質(zhì)上與可觀察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。這為我們的新理論方法提供了首次強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們現(xiàn)在可以將其用于預(yù)測甚至可以合成和測試的更好的催化劑。這是邁向全球清潔能源的重要里程碑?！?/p>

這項(xiàng)工作理解并驗(yàn)證了析氧反應(yīng)（OER）和動力學(xué)最新開發(fā)的量子力學(xué)計(jì)算方法（GCQM），為進(jìn)一步微調(diào)電催化劑以提高效率提供了方法基礎(chǔ)。

張森團(tuán)隊(duì)在論文中指出：“我們通過結(jié)合納米晶體的原子精確合成和量子力學(xué)計(jì)算方法（GCQM）計(jì)算，展示了OER研究的方法學(xué)進(jìn)展。我們合成具有替代鈷摻雜的二氧化鈦納米棒，使得單中心鈷能夠結(jié)合到板鈦礦相二氧化鈦表面。原位和非原位光譜研究表明，所得鈷-二氧化鈦納米棒在堿性條件下可以高效催化 OER ，并且在該反應(yīng)條件下穩(wěn)定，沒有相變或分離?；诹己帽碚鞯慕Y(jié)構(gòu)，我們的 GCQM 計(jì)算提供了 OER 動力學(xué)的原子理解，與實(shí)驗(yàn)觀察非常一致，這說明 GCQM 計(jì)算未來可以用作探索最佳的納米催化劑合成?！?/p>

弗吉尼亞大學(xué)（UVA）化學(xué)系主任 Jill·Venton 表示：“弗吉尼亞大學(xué)（UVA）和其他研究人員實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科合作，并且在清潔能源方面取得了令人興奮的發(fā)現(xiàn)，這是一個很好的榜樣?！?/p>