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新型催化剂突破电解水难题清洁能源技术新时代将至

本文摘要:如何高效地萃取并留存阳光中的清洁能源仍然是人类社会的难题。仿效植物的光合作用把阳光转化成化学能源的技术早就被明确提出,通过阳光太阳光和催化剂的联合起到,科学家将水电离成氢气和氧气,这两种气体的混合物可燃、不易储存、且无污染。但该步骤中所应用于的催化剂却成本高昂,无法大规模应用于。 近日,美国阿尔贡能源实验室和哈佛大学的一项研究就在催化剂方面获得了显要的成就。

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如何高效地萃取并留存阳光中的清洁能源仍然是人类社会的难题。仿效植物的光合作用把阳光转化成化学能源的技术早就被明确提出,通过阳光太阳光和催化剂的联合起到,科学家将水电离成氢气和氧气,这两种气体的混合物可燃、不易储存、且无污染。但该步骤中所应用于的催化剂却成本高昂,无法大规模应用于。

近日,美国阿尔贡能源实验室和哈佛大学的一项研究就在催化剂方面获得了显要的成就。图丨美国阿尔贡实验室化学家DuganHayes,LinChen,以及RyanHadt寻找了一种需要通过不含钴催化剂加快水电解的过程。

不含钴催化剂相对而言较低廉,而且可以在产生清洁能源的步骤中替换现存的贵金属催化剂该团队把钴元素用在了催化剂步骤中,钴在大大自然中比较非常丰富,成本也比较便宜。在适当的情况下,它能像氢原子和氧原子的舞伴一样为这一场“电子舞蹈”牵线搭桥。

“事实上,我们能通过钴看见反应再次发生的瞬间片段,而非一个模糊不清的化学变化。在互相交换电子的时间尺度上定义催化剂的性质是十分最重要的。

”“不含钴催化剂是如人工树叶等材料的活性成分,我们能用这种材料制备太阳能燃料。”该论文的第一作者之一,阿尔贡研究员RyanHadt回应。

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电解水反应大体上能被分成两部分。研究者们主要专心于第一部分,也就是水的水解。

这一过程必须转化成四个质子和四个电子,并在两个氧原子之间构成共价键,于是就必需有一个其他的原子与氧原子临时成键,这就是我们所需的不含钴催化剂。该反应之所以有一点研究,是因为钴与氧成键的过程再次发生在多于十亿分之一秒之内。为了摸明白这一过程,科学家用于了阿尔贡实验室光子源的X射线吸收光谱展开了详尽测量。通过分析科学家找到,两个氧原子间的共价键与钴离子的轨道展开杂化,这时,每个钴离子都与一个水分子成键。

该化合物的化学性质继续是平稳的。紧接着,水分子不会从钴离子上夺回一个电子,也就是把钴离子的化合价从正三价变为了于是以四价。如此高价的的钴离子不会把氢氧共价键中的氢原子挤走,并替换氢与氧离子成键。此时氢原子早已被和平,钴离子又不会把氧离子上多余的两个电子带走,于是氧也顺利被还原成了。

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最后,零价的氢原子和氧原子分别成键构成氢分子和氧分子;这样一来,气态的太阳能燃料就问世了。通过阿尔贡光子源,研究者需要在反应过程中必要测量钴的化合价,并通过理论计算出来一个取名为“互相交换耦合”的量子力学数值。

该值定义了氧和钴之间的电子自旋量。研究者指出这些电子对的磁矩方向是忽略的,也就是说它们具备反铁磁性。“反铁磁性在氧分子共价键的构成过程中起着了最重要起到,”Hadt补足道。

“因为它为化学键同时获取两个电子建构了有可能。”而X射线吸收光谱则顺利观测到了高价钴离子的方位。“最后,我们看见了反应的明确的方位和过程,我们通过电子的转化成看见了催化剂的性质。


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