MIT研究使催化表面更加活躍 幫助燃料和化學(xué)品脫碳
發(fā)布時(shí)間：2021-09-09 來源：蓋世汽車
使用催化劑加速的電化學(xué)反應(yīng)是許多制造和使用燃料、化學(xué)品和材料過程的核心，包括將可再生能源電力儲存在化學(xué)鍵中，這也是使運(yùn)輸燃料脫碳的重要方式。據(jù)外媒報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）最近研究出新工藝，可使某些催化劑更具活性，從而提高此類過程的效率。
采用新工藝打造的催化劑可將化學(xué)反應(yīng)的效率提高五倍，從而有可能在生物化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、環(huán)境化學(xué)和電化學(xué)中產(chǎn)生有用的新工藝。相關(guān)內(nèi)容已發(fā)表于期刊《Nature Catalysis》。論文作者為麻省理工學(xué)院機(jī)械工程和材料科學(xué)與工程教授、電子研究實(shí)驗(yàn)室（RLE）成員Yang Shao-Horn、RLE博士后Tao Wang、機(jī)械工程系研究生Yirui Zhang等。該工藝包括在金或鉑催化劑和化學(xué)原料之間添加一層所謂的離子液體。用這種方法生產(chǎn)的催化劑有可能使氫燃料更有效地轉(zhuǎn)化為燃料電池等動力裝置，或者更有效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料。
（圖片來源：麻省理工學(xué)院）
Shao-Horn表示：“脫碳迫在眉睫，涉及領(lǐng)域包括為除輕型車輛外的其他車輛提供動力的方式、制造燃料的過程以及制造材料和化學(xué)品的工藝。而這種增強(qiáng)催化活性的新工藝可以朝這個(gè)方向邁出重要的一步。”
在燃料電池等電化學(xué)裝置中使用氫氣非常具有潛力，可以使航空和重型車輛等脫碳，而新工藝會使此類用途更加實(shí)用。但目前，為這種燃料電池提供動力的氧還原反應(yīng)因其效率低下而受到限制。之前的改善效率的方法多為采用不同的催化劑材料或修改它們的表面組成和結(jié)構(gòu)。
然而在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)沒有修改固體表面，而是在催化劑和電解質(zhì)之間添加了一個(gè)薄層，該活性材料會參化學(xué)反應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，離子液體層可以調(diào)節(jié)質(zhì)子的活性，從而可提高界面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的速率。
由于有多種此類離子液體可供選擇，因此可以“調(diào)整”質(zhì)子活性和反應(yīng)速率以匹配涉及質(zhì)子轉(zhuǎn)移的過程所需的能量。其中，質(zhì)子轉(zhuǎn)移可用于通過與氧氣反應(yīng)制造燃料和化學(xué)品。
Shao-Horn表示：“質(zhì)子活性和質(zhì)子轉(zhuǎn)移屏障由離子液體層控制，因此在涉及質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)催化活性方面具有很大的可調(diào)節(jié)性。該效果由一層僅為幾納米的液體層產(chǎn)生，上面是一層更厚的液體以發(fā)生反應(yīng)。”
該論文的第一作者Wang表示：“我認(rèn)為這個(gè)新穎概念很重要，。人們知道質(zhì)子活動在許多電化學(xué)反應(yīng)中很重要，但研究起來且非常具有挑戰(zhàn)性。這是因?yàn)樵谒h(huán)境中，所涉及的相鄰水分子之間有很對相互作用，以至于很難分辨出哪些反應(yīng)正在發(fā)生。通過使用離子液體，其離子只能與中間材料形成單鍵，因此可以使用紅外光譜詳細(xì)研究反應(yīng)。”
Wang表示：“因此我們的發(fā)現(xiàn)突出了界面電解質(zhì)，特別是分子間氫鍵在增強(qiáng)電催化過程活性方面的關(guān)鍵作用。該發(fā)現(xiàn)還在量子力學(xué)角度提供了對量子質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)制的基本認(rèn)識，推動了解質(zhì)子和電子在催化界面的相互作用?！?/p>
Zhang稱：“這項(xiàng)工作也非常令人興奮，可為人們提供調(diào)整催化劑的設(shè)計(jì)原則。我們需要一些處于‘最佳位置’的種類，其活性和惰性都不能太大，從而提高反應(yīng)速率?！?/p>
