如何高效地提取并保存陽(yáng)光中的清潔能源一直是人類社會(huì)的難題。模仿植物的光合作用把陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成化學(xué)能源的技術(shù)早已被提出，通過陽(yáng)光照射和催化劑的共同作用，科學(xué)家將水電離成氫氣和氧氣，這兩種氣體的混合物可燃、易儲(chǔ)存、且無(wú)污染。但該步驟中所應(yīng)用的催化劑卻成本高昂，無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。
近日，美國(guó)阿爾貢能源實(shí)驗(yàn)室和哈佛大學(xué)的一項(xiàng)研究就在催化劑方面取得了顯赫的成就。
圖丨美國(guó)阿爾貢實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家Dugan Hayes, Lin Chen, 以及 Ryan Hadt找到了一種能夠通過含鈷催化劑加速水電解的過程。含鈷催化劑相對(duì)而言較便宜，而且可以在產(chǎn)生清潔能源的步驟中代替現(xiàn)存的貴金屬催化劑
該團(tuán)隊(duì)把鈷元素用在了催化步驟中，鈷在大自然中相對(duì)豐富，成本也相對(duì)低廉。在相應(yīng)的情況下，它能像氫原子和氧原子的舞伴一樣為這一場(chǎng)“電子舞蹈”牽線搭橋。
“事實(shí)上，我們能通過鈷看到反應(yīng)發(fā)生的瞬間片段，而非一個(gè)模糊的化學(xué)變化。在交換電子的時(shí)間尺度上定義催化劑的性質(zhì)是非常重要的。”
“含鈷催化劑是如人工樹葉等材料的活性成分，我們能用這種材料合成太陽(yáng)能燃料?！痹撜撐牡牡谝蛔髡咧?，阿爾貢研究員 Ryan Hadt 表示。
電解水反應(yīng)大體上能被分為兩部分。研究者們主要專注于第一部分，也就是水的氧化。這一過程需要轉(zhuǎn)化四個(gè)質(zhì)子和四個(gè)電子，并在兩個(gè)氧原子之間形成共價(jià)鍵，于是就必須有一個(gè)其他的原子與氧原子臨時(shí)成鍵，這就是我們所需的含鈷催化劑。
該反應(yīng)之所以值得研究，是因?yàn)殁捙c氧成鍵的過程發(fā)生在少于十億分之一秒之內(nèi)。為了弄明白這一過程，科學(xué)家使用了阿爾貢實(shí)驗(yàn)室光子源的X射線吸收光譜進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量。
通過分析科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)氧原子間的共價(jià)鍵與鈷離子的軌道進(jìn)行雜化，這時(shí)，每個(gè)鈷離子都與一個(gè)水分子成鍵。該化合物的化學(xué)性質(zhì)暫時(shí)是穩(wěn)定的。緊接著，水分子會(huì)從鈷離子上奪取一個(gè)電子，也就是把鈷離子的化合價(jià)從正三價(jià)變成了正四價(jià)。
如此高價(jià)的的鈷離子會(huì)把氫氧共價(jià)鍵中的氫原子擠走，并代替氫與氧離子成鍵。此時(shí)氫原子已經(jīng)被解放，鈷離子又會(huì)把氧離子上多余的兩個(gè)電子拉走，于是氧也成功被還原了。最后，零價(jià)的氫原子和氧原子分別成鍵形成氫分子和氧分子;這樣一來(lái)，氣態(tài)的太陽(yáng)能燃料就誕生了。
通過阿爾貢光子源，研究者能夠在反應(yīng)過程中直接測(cè)量鈷的化合價(jià)，并通過理論計(jì)算一個(gè)名為“交換耦合”的量子力學(xué)數(shù)值。該值定義了氧和鈷之間的電子自旋量。研究者認(rèn)為這些電子對(duì)的自旋方向是相反的，也就是說它們具有反鐵磁性。
“反鐵磁性在氧分子共價(jià)鍵的形成過程中起到了重要作用，”Hadt補(bǔ)充道?！耙?yàn)樗鼮榛瘜W(xué)鍵同時(shí)提供兩個(gè)電子創(chuàng)造了可能?！?/p>
而X射線吸收光譜則成功觀測(cè)到了高價(jià)鈷離子的位置。“最終，我們看到了反應(yīng)的具體的位置和過程，我們通過電子的轉(zhuǎn)化看到了催化劑的性質(zhì)?！?/p>
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