2020年9月7日
以可再生和可持续能源为基础的未来经济可能会利用电池驱动的汽车、大规模的太阳能和风力发电场、储存在电池和化学燃料中的能源。虽然已经有使用可持续能源的例子，但科学和工程上的突破将决定广泛采用的时间表。
一个被提出的摆脱化石燃料的范例是氢经济，在这种经济中，氢气为社会的电力需求提供动力。为了大量产生氢气，一些科学家正在研究分裂水(两个氢原子和一个氧原子)的过程，这将产生氢燃料和可呼吸的氧气。
弗吉尼亚理工学院(Virginia Tech College of Science)化学助理教授冯林(Feng Lin)专注于能量存储和转换研究。欧洲杯线上买球这项工作是发表在该杂志上的一项新研究的一部分催化性质这解决了电化学水分解过程中一个关键的、基本的障碍，在这里，林实验室展示了一种新的技术，可以重新组装、复活和重用一种催化剂，从而实现高效的水分解。kuchunguang Kuai，林的前研究生，是林和化学研究生徐正瑞，胡安阳和杨志杰的第一作者。
这项研究的核心思想可以追溯到普通化学课上的一个主题:催化剂。这些物质在化学过程中不会被消耗，而是增加反应的速率。催化剂增加反应速率的一种方法是减少反应开始所需的能量。
水是由三个原子组成的分子，看起来是碱性的，但分裂它的过程相当困难。但林的实验室已经做到了。即使从一个稳定的原子中移动一个电子也可能是能量密集型的，但这个反应需要转移四个电子来氧化氧生成氧气。
“在电化学电池中，四电子转移过程将使反应非常缓慢，我们需要具有更高的电化学水平来使其发生”林说。由于裂解水需要更高的能量，长期的效率和催化剂的稳定性成为关键挑战。”
为了满足这一高能量需求，林实验室引入了一种叫做混合镍铁氢氧化物(MNF)的常见催化剂来降低门槛。MNF的水裂解反应效果良好，但由于其反应活性高，使用寿命短，催化性能下降快。
林和他的团队发现了一种新技术，可以周期性地重组到MNF的原始状态，从而允许水的分解过程继续进行。(研究小组在实验中使用的是淡水，但林建议，地球上最丰富的水形式——盐水也可以发挥作用。)
MNF在能源研究方面有着悠久的历史。当托马斯·爱迪生在一个多世纪前对电池进行修补时，他也在氢氧化镍电池中使用了同样的镍和铁元素。爱迪生在他的氢氧化镍实验中观察到了氧气的形成，这对电池不利，但在分解水的情况下，产生氧气是目标。
“科学家们早就意识到，在氢氧化镍晶格中加入铁是增强水分裂反应性的关键。”蒯说。“但在催化条件下，由于电解溶液的强腐蚀性环境，预先设计的MNF结构是高度动态的。”
在林的实验期间，MNF从固体形式降解到电解液中的金属离子 - 对该方法的关键限制。但是林的团队观察到，当电化学细胞从高电平的电催化电位翻转到低，还原电位时，仅在两分钟的时间内，将溶解的金属离子重新组装到理想的MNF催化剂中。这是由于催化剂和电解液之间的界面内的pH梯度的逆转而发生。
“在低电势的两分钟内，我们证明了我们不仅能将镍和铁离子沉积回电极中，还能将它们很好地混合在一起，并创造出高度活性的催化位点，”林说。“这确实令人兴奋，因为我们在原子长度尺度上重建了催化材料，在几个纳米的电化学界面。”欧洲杯足球竞彩
改造工作如此成功的另一个原因是，林实验室合成了一种新型MNF薄膜，这种薄膜比块状材料更容易重新组装。
通过x射线证实发现
为了证实这些发现，林的团队在阿贡国家实验室的先进光子源和SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源进行了同步x射线测量。这些测量使用与普通医院x光相同的基本前提，但规模要大得多。
“我们想要观察整个过程中发生了什么，”蒯说。“我们可以使用X射线成像来看出这些金属铁杆的溶出和重新定位，以提供化学反应的根本图。”
同步加速器设备需要一个巨大的回路，其大小与弗吉尼亚理工大学的钻井场相似，能够高速进行x射线光谱学和成像。这为Lin在催化操作条件下提供了高水平的数据。该研究还提供了一系列其他重要的电化学能源科学的见解，如氮还原、二氧化碳还原和锌-空气电池。欧洲杯线上买球
“除了成像，许多X射线光谱测量允许我们研究单个金属离子如何聚集在一起并形成具有不同化学成分的簇，”林说。“这真的为探索真实化学反应环境中的电化学反应打开了大门。”
该工作得到了化学启动资金和关键技术研究所的支持。欧洲杯线上买球
来源:https://vt.edu/