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使催化表面更活跃,有助于燃料和化学品脱碳

综合 时间:2021-09-14 15:01:06 匿名用户

使用催化剂加速的电化学反应是制造和使用燃料、化学品和材料的许多过程的核心,包括以化学键储存可再生能源的电力,这是运输燃料脱碳的重要能力。现在,麻省理工学院的研究可以打开大门,让某些催化剂更具活性,从而提高这些过程的效率。

一种新的生产工艺产生的催化剂将化学反应的效率提高了五倍,有可能在生物化学、有机化学、环境化学和电化学领域实现有用的新工艺。这一发现今天发表在《自然催化》杂志上,由麻省理工学院机械工程和材料科学与工程教授、电子研究实验室(RLE)成员杨绍·霍恩(Yang Shao Horn)在一篇论文中描述;王涛,荷兰皇家理工学院博士后;张怡瑞,机械工程系研究生;还有五个。

这个过程包括在金或铂催化剂和化学原料之间添加一层所谓的离子液体。用这种方法生产的催化剂有可能使氢燃料更有效地转化为燃料电池等动力装置,或使二氧化碳更有效地转化为燃料。

邵霍恩说:“我们迫切需要对轻型汽车以外的交通运输方式、燃料制造方式以及材料和化学品制造方式进行脱碳。”他强调了IP**最新气候变化报告中强调的减少碳排放的紧迫呼吁。她说,这种提高催化活性的新方法可以在这方面迈出重要的一步。

在燃料电池等电化学设备中使用氢是航空和重型车辆等脱碳领域的一种有希望的方法,新工艺可能有助于实现这些用途。目前,为这种燃料电池提供动力的氧还原反应因其效率低下而受到限制。以前提高效率的尝试主要集中在选择不同的催化剂材料或修改其表面组成和结构。

然而,在这项研究中,研究小组没有对固体表面进行修饰,而是在催化剂和电解质之间添加了一层薄薄的物质,这是一种参与化学反应的活性物质。他们发现,离子液体层调节质子的活性,有助于提高界面上发生的化学反应速率。

因为有很多种类的离子液体可供选择,所以可以“调节”质子活性和反应速率,使其与质子转移过程所需的能量相匹配,质子转移过程可用于通过与氧气的反应制造燃料和化学品。

邵霍恩说:“质子的活性和质子转移的屏障是由离子液体层控制的,因此在涉及质子和电子转移的反应中,催化活性具有很大的可调性。”这种效应是由一层薄得几乎消失的液体产生的,只有几纳米厚,上面是一层厚得多的要进行反应的液体。

“我认为这个概念是新颖而重要的,”论文第一作者Wang说,“因为人们知道质子活性在许多电化学反应中很重要,但研究起来很有挑战性。”这是因为在水环境中,相邻的水分子之间有很多相互作用,所以很难区分发生了哪些反应。通过使用离子液体(其离子只能与中间材料形成单键),可以利用红外光谱对反应进行详细研究。

因此,王说,“我们的发现强调了界面电解质,特别是分子间氢键,在增强电催化过程活性方面的关键作用。它还提供了在量子力学水平上对质子转移机制的基本见解,这可以推动了解质子和电子如何在催化界面上相互作用的前沿。”

“这项工作也令人兴奋,因为它为人们提供了如何调整催化剂的设计原则,”张说。“我们需要一些处于‘最佳点’的物种——不太活跃或太惰性,以提高反应速率。”

最近从麻省理工学院毕业的博士生、现在伦敦帝国理工学院的博士后、该论文的合著者Reshma Rao说,有了这些技术,“我们看到活动增加了五倍。我认为这项研究最令人兴奋的部分是它开辟了我们思考催化作用的全新维度。“该领域在寻找设计更好材料的方法方面遇到了“一种障碍”,她说。通过专注于液体层而不是材料表面,”这是看待这个问题的一种完全不同的方式,并打开了一个全新的维度,一个全新的轴,我们可以沿着它改变事情,优化一些反应速率。”

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