在催化劑方面，國(guó)外又有新突破
近日，美國(guó)阿爾貢能源實(shí)驗(yàn)室和哈佛大學(xué)的一項(xiàng)研究就在催化劑方面取得了顯赫的成績(jī)。
圖丨美國(guó)阿爾貢實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家DuganHayes,<而X射線(xiàn)吸收光譜則成功觀(guān)測(cè)到高價(jià)鈷離子的位置。最終。LinChen,以及 RyanHadt找到一種能夠通過(guò)含鈷催化劑加速水電解的過(guò)程。含鈷催化劑相對(duì)而言較便宜，而且可以在發(fā)生清潔能源的方法中代替現(xiàn)存的貴金屬催化劑
該團(tuán)隊(duì)把鈷元素用在催化步驟中，鈷在大自然中相對(duì)豐富，利息也相對(duì)低廉。相應(yīng)的情況下，能像氫原子和氧原子的舞伴一樣為這一場(chǎng)“電子舞蹈”牽線(xiàn)搭橋。
事實(shí)上，能通過(guò)鈷看到反應(yīng)發(fā)生的瞬間片段，而非一個(gè)模糊的化學(xué)變化。工業(yè)純水設(shè)備交換電子的時(shí)間尺度上定義催化劑的性質(zhì)是非常重要的
含鈷催化劑是如人工樹(shù)葉等材料的活性成分，能用這種資料合成太陽(yáng)能燃料。該論文的第一作者之一，阿爾貢研究員 RyanHadt表示。
電解水反應(yīng)大體上能被分為兩部分。研究者們主要專(zhuān)注于第一部分，也就是水的氧化。這一過(guò)程需要轉(zhuǎn)化四個(gè)質(zhì)子和四個(gè)電子，并在兩個(gè)氧原子之間形成共價(jià)鍵，于是就必需有一個(gè)其他原子與氧原子臨時(shí)成鍵，這就是所需的含鈷催化劑。
該反應(yīng)之所以值得研究，因?yàn)殁捙c氧成鍵的過(guò)程發(fā)生在少于十億分之一秒之內(nèi)。為了弄明白這一過(guò)程，科學(xué)家使用了阿爾貢實(shí)驗(yàn)室光子源的X射線(xiàn)吸收光譜進(jìn)行了詳細(xì)丈量。
通過(guò)分析科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)氧原子間的共價(jià)鍵與鈷離子的軌道進(jìn)行雜化，這時(shí)，每個(gè)鈷離子都與一個(gè)水分子成鍵。該化合物的化學(xué)性質(zhì)暫時(shí)是穩(wěn)定的緊接著，水分子會(huì)從鈷離子上奪取一個(gè)電子，也就是把鈷離子的化合價(jià)從正三價(jià)變成了正四價(jià)。
如此高價(jià)的鈷離子會(huì)把氫氧共價(jià)鍵中的氫原子擠走，并代替氫與氧離子成鍵。此時(shí)氫原子已經(jīng)被解放，鈷離子又會(huì)把氧離子上多余的兩個(gè)電子拉走，于是氧也勝利被還原了最后，上海純水設(shè)備零價(jià)的氫原子和氧原子分別成鍵形成氫分子和氧分子;這樣一來(lái)，氣態(tài)的太陽(yáng)能燃料就誕生了
通過(guò)阿爾貢光子源，研究者能夠在反應(yīng)過(guò)程中直接測(cè)量鈷的化合價(jià)，并通過(guò)理論計(jì)算一個(gè)名為“交換耦合”量子力學(xué)數(shù)值。該值定義了氧和鈷之間的電子自旋量。研究者認(rèn)為這些電子對(duì)的自旋方向是相反的也就是說(shuō)它具有反鐵磁性。
反鐵磁性在氧分子共價(jià)鍵的形成過(guò)程中起到重要作用，Hadt補(bǔ)充道。因?yàn)樗鼮榛瘜W(xué)鍵同時(shí)提供兩個(gè)電子創(chuàng)造了可能。
而X射線(xiàn)吸收光譜則成功觀(guān)測(cè)到高價(jià)鈷離子的位置。最終，看到反應(yīng)的具體的位置和過(guò)程，通過(guò)電子的轉(zhuǎn)化看到催化劑的性質(zhì)。
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