新型催化剂问世！利用量子力学技术，向清洁能源未来迈出关键一步

过去几年，将太阳转化为电能的技术发展非常迅速。将水分子分解为氢气和氧气，以燃料的形式把产生的氢气储存下来，并根据需求用于放电，是一种利用太阳能的新方法。
但目前析氧反应（OER）中所用的催化材料还不够高效，所以这个方法无法在实际中得到应用。能使这项技术得以实现的关键，是寻找水分子分解过程中析氧反应（OER）的高效催化剂。
【新型催化剂问世！利用量子力学技术，向清洁能源未来迈出关键一步】在过去的十年里，人们一直在努力寻找新的析氧反应（OER）催化剂，通过对析氧反应的机理进行进一步的研究，从而为开发改进的催化剂提供的新的方法。在这之中，对多相OER催化作用至关重要却尚未解决的两个问题是：如何识别和构建定义明确的高效OER催化作用的催化中心，以及如何明确描绘OER和在该中心的竞争反应的原子机制和动力学。
近日有研究人员利用钴和钛元素生产了一种新型催化剂，并基于最新开发的量子力学计算（GCQM）和原位与离位光谱探针验证的单中心钴原子结构，揭示了析氧反应（OER）的机制。

2020年12月14日，弗吉尼亚大学（UVA）艺术与科学研究院的张森团队与加州理工学院和美国能源部阿贡国家实验室、劳伦斯-伯克利国家实验室和布鲁克海文国家实验室的研究人员合作在NatureCatalysis杂志发表了一篇论文，标题为《催化单点Co在板钛矿二氧化钛纳米棒表面上的析氧反应》（Oxygenevolutionreactionovercatalyticsingle-siteCoinawell-definedbrookiteTiO2nanorodsurface）。

该篇文章提供了一种新工艺，即在二氧化钛纳米晶体表面的原子层面上创建活性催化位点，可产生耐用的催化材料并能够更好地引发析氧反应。论文还基于最新开发的量子力学计算（GCQM），对析氧反应（OER）动力学实验理论进行了详细的验证。这一研究成果代表着向清洁能源未来迈出了关键一步。

根据联邦化学教授T.BrentGunnoe的讲述：“这项创新以张森实验室的成果为中心，代表了一种改进和理解催化材料的新方法，其结果涉及先进的材料合成，原子级表征和量子力学理论。 ”
在阿贡国家实验室和劳伦斯·伯克利国家实验室的帮助下，研究团队采用原位扩展x光吸收精细结构光谱（EXAFS）和原位同步辐射x光衍射（SRXRD），对样本结构进行分析，得出了钴通过单中心取代均匀地掺杂在纳米棒中，并且在析氧反应（OER）条件下是稳定的这一结果。此外，来自加州理工学院的研究人员还利用最新开发的量子力学计算方法（GCQM）对析氧反应速率进行预测，其预测结果与张森团队的实验结果一致。
加州理工学院材料科学和应用物理学教授，该项目主要研究人员之一WilliamA.GoddardIII说：“五年多来，我们一直在开发新的量子力学技术，以了解析氧反应机理，但在所有先前的研究中，我们无法确定确切的催化剂结构。张森的催化剂具有明确的原子结构，并且我们发现我们的理论输出在本质上与可观察的实验结果完全吻合。这为我们的新理论方法提供了首次强有力的实验验证，我们现在可以将其用于预测甚至可以合成和测试的更好的催化剂。这是迈向全球清洁能源的重要里程碑。 ”
这项工作理解并验证了析氧反应（OER）和动力学最新开发的量子力学计算方法（GCQM），为进一步微调电催化剂以提高效率提供了方法基础。