催化剂是如何分解水的?

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一种称为二氧化钌的结晶化合物被广泛用于工业过程中,在此过程中,它对于催化分解水分子并释放氧气的化学反应特别重要。但是,尚未详细确定这种材料表面发生的确切机理以及该反应如何受晶体表面取向影响。现在,麻省理工学院和其他几个机构的研究人员团队首次能够直接在原子级别上研究该过程。

氧气析出反应在各种工业过程中都很重要。一项新的研究在分子水平上对该过程进行了详细分析。如图所示,研究人员分析了二氧化钌表面(中心)上特定位置如何催化水分子(H2O,左)形成氧气分子(O2,右)。图片来源:麻省理工学院

研究过程

这项工作涉及多年的合作以及在逐个原子的催化过程计算机模型与精确实验之间的迭代过程,其中包括使用位于阿贡(Argonne)的独特同步加速器X射线设备进行的一些精确实验,该设备可以对材料表面进行原子级探测。

邵恩说:“我认为这项工作令人兴奋的方面是,我们对理解水分解的催化作用有了一些突破。” “我们试图了解在反应条件下表面氧位点发生了什么,这是确定水分解活性位点的关键步骤。”

催化过程被称为氧气释放反应,对于生产供能源使用的氢气和氨气,制造合成碳中性燃料以及由金属氧化物制造金属至关重要。Shao-Horn认为,目前,二氧化钌表面是“水分解催化剂的金标准”。

Rao说,虽然在催化剂表面将水分解以将氧原子与两个氢原子分开的过程似乎很简单,但在分子水平上,“这种界面非常复杂。您有大量的水分子,表面可能完全无序,并同时发生多个过程。” 为了使这一切有意义,“我们要做的第一件事是通过具有定义明确的单晶表面来降低复杂性”,其中使用同步加速器X射线散射探测该表面确定了每个原子的确切位置。

她说:“使用这项技术,我们基本上可以放大该顶层,然后他们可以改变施加到表面的电压,以了解水氧化过程如何受到影响。在这项新研究中,由于研究人员已经确定了晶体不同表面取向的活性和反应部位,因此他们能够将该信息整合到计算机上的分子模型中。这使他们能够更深入地了解在表面特定原子构型下发生的反应的能量学。

研究结果

他们发现的结果是“有趣得多”,因为不仅有一个站点负责该反应,Rao说。在反应的这组步骤中,“并不是每个站点都相同,而是您拥有可以扮演不同角色的不同站点”。不同的速率确定步骤是可能的,水分解的相对速率受暴露的晶格面取向的影响,而新的见解可能有助于优化催化剂的制备方式,以优化反应速率。

Rao说,从分子水平理解这些细微差异的影响可能有助于设计未来的催化剂,这些催化剂可能会超过传统的描述电子结构方法所能预测的最高活性水平。

Shao-Horn补充说,尽管他们的研究专门针对二氧化钌,但他们所做的建模工作可以应用于各种催化过程,所有这些过程都涉及通过与材料表面活性位点相互作用而破坏和重建化学键的类似反应。

文章来源:phys.org

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