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美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學的科學家們報告稱，一種將單個銥原子固定在催化劑表面的新方法提高了催化劑分解水分子的效率，達到了創紀錄的水平。
這是該方法首次應用于析氧反應(OER)。OER是電解過程的一部分，電解過程使用電將水分解成氫和氧。
如果由可再生能源提供動力，電解可以更可持續地生產氫氣和化學物質，并減少化石燃料的使用。但OER的緩慢步伐一直是其提高效率以在公開市場競爭的瓶頸。
該團隊表示，這項研究的結果可以緩解這一瓶頸，并為觀察和理解這些單原子催化反應中心在真實環境下如何運作開辟了新途徑。
他們的研究結果發表在《美國國家科學院院刊》上。
化學工業的支柱
催化劑是化學工業的支柱，為可持續能源的未來提供了希望。就像媒人一樣，它們從流動的液體或氣體中抓取分子，使它們相互反應而不消耗自己。為了使這一過程的效率最大化，催化劑納米顆粒通常分散在多孔材料的表面，這為同時發生許多反應提供了最大的表面積。
但只有納米粒子之外的原子才能參與催化;里面的東西都被浪費了。當催化劑是昂貴的貴金屬時，如銥或鉑，即使是少量的材料浪費也是昂貴的。因此，科學家們一直在研究使用這些貴重金屬的單個原子。
每個原子都是一個催化反應中心。它們的微小尺寸意味著更多的單元可以安裝在一個給定的支撐結構的表面上。這大大增加了與反應物接觸的活性催化劑的數量和同時發生的反應的數量，提高了效率。
在這項研究中，由斯坦福大學教授Yi Cui和SLAC科學家Michal Bajdich領導的團隊開發了一種新方法，能夠將單個銥原子附著在支撐表面上。
這項實驗由斯坦福大學博士后鄭學麗和唐靜進行，由SLAC助理科學家Alessandro Gallo對x射線數據進行了理論模擬，揭示了哪種構型是最穩定和最有效的。
原子錨定
為了制造新的催化劑，研究人員首先創造了一個多孔結構來支持催化反應的銥原子。
他們將這種泡沫狀結構暴露在含有銥化合物的溶液中，迅速將其凍結，在其表面形成一層薄薄的富含銥的“冰”，并進行了額外的處理，以創建單個銥原子粘附在支撐表面的均勻分布位置。
對工作中的催化劑的x射線觀察顯示，銥原子處于一種化學狀態，使它們在進行釋放氧氣的水分裂反應時異常高效。
其他測試表明，活動的增加完全是由于銥作為孤立原子的存在，而不是由于它們擴大的表面積。
研究人員報告說，由此產生的催化劑比迄今為止已知的大多數銥基催化劑都要好。他們說，新的原子錨定系統為探索和建立各種電催化反應的催化劑及其支撐結構之間的聯系提供了一個理想的模型。
斯坦福大學材料與能源科學研究所(SIMES)的研究員崔毅和斯坦福大學聯合研究機構SUNCAT界面科學與催化中心的研究員Michal Bajdich在那里進行了理論計算。
在SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)和勞倫斯伯克利國家實驗室的先進光源(ALS)進行了催化劑的x射線觀測，并在國家能源研究科學計算中心(NERSC)進行了計算;這三個都是能源部科學辦公室的用戶設施。
來自伯克利實驗室分子鑄造廠和美國國家標準與技術研究所材料測量設施的研究人員也對這項由美國能源部科學辦公室資助的工作做出了貢獻。
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