表面化学发现点便宜的水分解的方法

表面化学和电势是两个驱动力的电催化作用。直到现在,研究人员认为后者把水氧化,光解水制氢研究的瓶颈,但新的工作表明并非如此。它现在已经发现在electrocatalysed水分裂破坏,在催化剂表面形成的债券实际控制的反应,一个意想不到的发现,可能会加速可再生能源的发展氢的一代。¹

我们表明,electrocatalytic氧气进化真的像传统催化,解释道特拉维斯。琼斯德国弗里茨·哈伯(德国研究所共同研究。令人惊讶的是,电势不反应坐标中发挥重要作用。的秘密electrocatalytic水氧化取决于基本化学。我们可以应用相同的概念对我们在经典中使用热催化反应,”琼斯补充道。

把电压方程可能意味着巨大的节省能源。通常,电化学反应需要额外的能量来克服激活障碍——过电压。然而,如果表面化学调节限制步骤中,过电压可能会大幅减少。光解水制氢研究的化学家可以专注于设计更高效的催化剂,”琼斯说。

表明氧进化是像任何其他催化反应,研究人员首先必须解决潜在的影响和表面化学,这是紧密联系的。为了做到这一点,他们修改的表面铱氧化物、水氧化的最佳electrocatalysts之一,通过逐步中毒氯原子。当氯的表面完全覆盖,任何催化影响我们观察到的来自电压,”解释道哈维尔Perez-Ramirez在瑞士苏黎世联邦理工学院。他们观察到的实验结果匹配计算预测-电势只是表面氧化和不影响反应的进展。

这是一个很有趣的方式表达表面化学的重要性,”解释道安娜贝拉Selloni专家在普林斯顿大学理论化学与新材料,我们。电压和表面化学的角色非常互联,分离[他们]远非微不足道。”

进一步的实验证实了最初的观察。使用x射线光谱,我们可以看到铱较高的氧化态,直到它到达了一个临界点不能进一步氧化”,琼斯解释说。当氧气开始积累电荷,它到达一个不同寻常的oxyl氧化态(1)。”此时,反应开始,”琼斯补充道。“氧气变得活跃,水分子可以攻击它,开始新的oxygen-oxygen债券。锻造,债券是限制步骤。

该小组还进行理论研究,确定不同寻常的氧物种的关键。的DFT计算实验表明,表面氧化物种减少的能量势垒oxygen-oxygen债券形成的Selloni说。

这种理论与实验的结合给了一个很全面的图片,说如果史蒂文斯英国伦敦帝国学院,electrochemist。这些结果提供了大量的精确的信息在氧活性催化物种进化的反应。这是必要的设计更好的催化剂,并有可能减少所需的氧化铱,”他补充道。尽管铱是一种贵金属,它有一些优势镍和铁基electrocatalysts -它可以承受的高度酸性和氧化条件质子交换膜电解槽。这些设备是特别有用的,因为他们可以在高有效运作率和脉动电源输入,这使得它们适合储存间歇性能源如太阳能或风能,”史蒂芬斯解释说。

人们已经从1930年代应用动力学理论(电催化作用),但是我们展示它并不适合这种类型的反应,”琼斯说。史蒂芬斯同意传统教科书分析可能不足以解释这些现象。“先前的研究进行的詹姆斯Durrant和其他同事在帝国²已经显示水氧化的速度通常是由活性中间体的人口控制,”他说。这落定,电压是很重要的,但并不控制速率决定步骤。

这本新书的指示,研究人员可以为其他electrocatalysed过程创建更高效的催化剂,如氨或固定碳二氧化碳减少,”琼斯说。初步结果表明他们的概念是其他系统的可转换的,他补充说。