弗吉尼亚理工大学 在COVID-19大流行前拍摄的一张照片中，化学研究生杨志杰正在阿尔贡国家实验室的高级光子源操作同步加速器测量计算机
信用:弗吉尼亚理工大学 基于可再生和可持续能源的未来经济可能会利用电池驱动的汽车、大型太阳能和风力发电场，以及储存在电池和化学燃料中的能源储备
尽管已经有可持续能源使用的例子，科学和工程的突破将决定广泛采用的时间表
一个提议的摆脱化石燃料的范例是氢经济，其中氢气为社会的电力需求提供动力
为了大量生产氢气，一些科学家正在研究分解水的过程——两个氢原子和一个氧原子——这将产生氢燃料和可呼吸的氧气
弗吉尼亚理工大学的化学助理教授林峰专注于能量储存和转换研究
这项工作是发表在《自然催化》杂志上的一项新研究的一部分，该研究解决了电化学水分解过程中的一个关键的基本障碍，林实验室展示了一种新的技术来重新组装、复活和再利用催化剂，从而实现节能的水分解
前林春光快的研究生，是这项研究的第一作者，林春光和合著者化学研究生徐正瑞，胡安洋，杨志杰
这项研究的核心思想可以追溯到普通化学课上的一个主题:催化剂
这些物质提高了反应速度，而在化学过程中没有被消耗掉
催化剂提高反应速率的一种方法是降低反应开始所需的能量
水作为一个仅由三个原子组成的分子，看起来似乎是基本的，但分裂它的过程相当困难
但是林的实验室已经这么做了
即使从一个稳定的原子中转移一个电子也是能量密集型的，但是这个反应需要转移四个电子来氧化氧以产生氧气
“在电化学电池中，四电子转移过程将使反应相当缓慢，我们需要有一个更高的电化学水平来实现它，”林说
“由于分解水需要更高的能量，长期效率和催化剂稳定性成为关键挑战
" 为了满足这种高能量需求，林实验室引入了一种叫做混合镍铁氢氧化物(MNF)的普通催化剂来降低阈值
与MNF的水分解反应效果很好，但由于MNF的高反应性，它的寿命很短，催化性能下降很快
林和他的团队发现了一种新的技术，这种技术可以定期重新组装到原来的状态，从而使分水的过程得以继续
(研究小组在他们的实验中使用了淡水，但是林认为咸水——地球上最丰富的水——也可以工作
) MNF的能源研究历史悠久
一个多世纪前，当托马斯·爱迪生摆弄电池时，他也在氢氧化镍基电池中使用相同的镍和铁元素
爱迪生在他的氢氧化镍实验中观察到氧气的形成，这对电池是有害的，但是在分解水的情况下，目标是产生氧气
“长期以来，科学家们已经认识到在氢氧化镍晶格中加入铁是提高水分解反应性的关键
”蒯说
“但是在催化条件下，由于电解溶液的高腐蚀性环境，预先设计的MNF的结构是高度动态的
" 在林的实验中，在电解液中从固体形式降解成金属离子——这是这一过程的关键限制
但是林的研究小组观察到，当电化学电池从高电催化电位翻转到低还原电位时，仅仅两分钟，溶解的金属离子就重新组装成理想的催化剂
这是由于催化剂和电解质溶液之间界面的酸碱度梯度发生逆转
“在两分钟的低电位过程中，我们证明了我们不仅可以将镍和铁离子沉积回电极中，而且可以很好地将它们混合在一起，产生高活性的催化位点，”林说
“这确实令人兴奋，因为我们在几个纳米电化学界面内重建了原子长度尺度的催化材料
" 改造工程如此成功的另一个原因是林实验室合成了新的薄片，这种薄片比散装材料更容易重新组装
通过x光验证发现 为了证实这些发现，林的团队在阿尔贡国家实验室的高级光子源和斯坦福国家加速器实验室的同步辐射光源进行了同步辐射X射线测量
这些测量使用与普通医院x光相同的基本前提，但规模要大得多
“我们想观察整个过程中发生了什么，”蒯说
“我们可以用x光成像来观察这些金属离子的溶解和再沉积，从而提供化学反应的基本图像
" 同步加速器设施需要一个巨大的环路，类似于弗吉尼亚理工大学的钻场大小，可以高速进行x光光谱和成像
这为Lin提供了催化操作条件下的高水平数据
该研究还提供了对一系列其他重要电化学能源科学的见解，如氮还原、二氧化碳还原和锌空气电池
“除了成像，大量的x光光谱测量让我们能够研究单个金属离子如何聚集在一起，形成具有不同化学成分的簇，”林说
“这为在真实的化学反应环境中探测电化学反应打开了大门
"
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