马克斯·普朗克学会 析氧反应
信用:苏黎世联邦理工学院马蒂亚斯·弗赖 向可持续能源经济转型需要电催化方法将电能转化为化学能和原料
由柏林理工大学、苏黎世联邦理工学院、国家研究委员会-的里雅斯特材料研究所和FHI领导的一个研究小组现在已经发现了这些过程中一个主要瓶颈的反应机制，即析氧反应
结果发表在《自然》杂志上
电催化析氧是水分解的关键半反应，是向可再生能源经济过渡的关键技术
这是因为，随着不可调度的可再生能源(如风能和太阳能)的份额增加，需要储能解决方案来吸收间歇性的电力波动，并确保可靠的能源供应
其中，通过质子和电子将电能转化为化学燃料是最灵活的方法之一，因为化学燃料可以在需要的时间和地点使用
然而，一个主要的障碍是找到了将水转化为分子氧的电催化剂，这是一种析氧反应，提供质子和电子来制造这些燃料
在努力开发改进的电催化剂的过程中，专家们长期以来一直认为，电催化析氧反应可以用一种成熟的、已有几十年历史的理论来描述非催化电子转移反应
研究小组决定测试这些假设，并惊奇地发现，析氧反应实际上比以前认为的更类似于传统的热催化
这使得描述传统热催化剂的工具和概念第一次被应用于它们的电化学对应物
“了解电催化剂背后的基础科学很重要，以便将来改进它们
柏林技术大学的合著者之一彼得·斯特拉瑟解释说:“我们越来越清楚，驱动电催化反应的传统图景是不完整的。”
他补充说，“研究人员通常假设析氧反应是由反应坐标上的电势的直接作用控制的
这与热催化非常不同，在热催化中，化学键的形成和断裂通过表面化学来控制速率
" 在发表在《自然》杂志上的一项研究中，该小组报道了最成功的一类析氧催化剂氧化铱是如何工作的
他们在柏林的贝西二号和汉堡的佩特拉三号进行了基于同步加速器的操作x光光谱学，以研究氧化铱在电催化析氧过程中的行为
这些实验让他们同时监控电势和表面化学
他们利用在这些实验中学到的知识来建立催化剂表面的原子尺度模型，这些模型被用于斯图加特高性能计算中心的反应的量子力学模拟
弗里茨·哈伯研究所的特拉维斯·琼斯说:“模拟显示，反应速率与氧化电荷的表面覆盖率成指数关系，这与测量结果一致。”
“模拟还捕捉到了氧化铱的一个关键特征——塔菲尔斜率的变化，并将其归因于氧化电荷对电势的响应的变化，而不是像以前认为的那样归因于机制的变化，”西蒙尼·皮奇宁解释道，他是意大利的里雅斯特国家研究委员会材料研究所的合著者
这些研究使研究人员怀疑反应是由表面化学控制的，而不是由直接作用于反应坐标的电势控制的
通过开发一种基于实验室的方法来量化电荷积累，该团队能够筛选一系列材料，并发现它们都表现出相同的行为
弗里茨·哈伯研究所的德特勒·特斯纳解释说:“看来电势的作用是氧化表面，通过这种氧化积累的电荷控制着反应速率，就像在热催化中一样
" 在看到电荷似乎调节电催化速率后，研究人员寻找一种独立于电势控制催化剂电荷的方法来测试他们的发现
苏黎世联邦理工学院的哈维尔·佩雷斯-拉米雷斯说:“我们需要一种化学方法来改变催化剂可以储存多少电荷，并很快意识到我们可以通过用氯代替表面的一些氧气来做到这一点，因为氯不能被氧化来储存额外的电荷。”
苏黎世团队利用他们在卤素化学方面的专业知识生产了一系列氯含量不同的催化剂
正如预期的那样，催化剂可以储存的电荷随其上氯的量而变化
对这些新材料的电催化测试证实了它们在析氧反应中的行为，并与研究小组的预测相符
“看到改变催化剂储存电荷的能力如何可预测地改变其催化活性，让我们对这些发现充满信心
弗里茨·哈伯研究所的特拉维斯·琼斯说:“我们希望这一结果能应用于大量的电催化剂，我们计划利用这一新知识来设计和测试新材料。”
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