波士顿学院 波士顿学院和耶鲁大学的研究人员在《化学》杂志上报道，一种依赖于电势的开关有助于使用氧化钴催化剂分解水
小电荷驱动析氧反应，利用水产生氢气
学分:化学 波士顿学院和耶鲁大学的研究人员利用丰富的钴和独特的实验方法来探索加速缓慢的催化反应以从水中获取氢气的方法，发现了析氧反应中的机械开关，这是朝着优化水分解电催化剂以生产清洁能源迈出的重要一步
该小组在《化学》杂志上报道说，这种机制通过改变电压的大小或施加的电势来改变
在中等电势下，结合到催化剂表面的两个氧原子反应形成氧-氧键
相反，在较高的电势下，氧-氧键是由水分子攻击表面结合的氧物种形成的
研究结果表明，在这类材料中，应该根据在反应器中预期操作的潜在状态来选择或优化用于该反应的电催化剂
换句话说，给定的催化剂可能特别有效地促进一种机制，但不能促进另一种机制
该报告的主要作者、波士顿学院化学教授王敦伟说:“让我们感到惊讶的是，从一种机械论状态到另一种具有应用潜力的状态的转变是如此急剧。”
“在两种机制之间切换只需要大约100毫伏
这提醒我们反应机制是多么敏感
更广泛地说，这种简单的转换可能是光合作用如何适应反应环境的变化以获得最佳性能的另一个标志
" 研究人员一直致力于将水分解成氢分子和氧分子，以可运输和可储存的氢气的形式提供丰富的可再生能源
这种分解可以通过电催化来完成，在电催化过程中，氢和氧的释放反应发生在电极上空间分离的隔室中
这使得电催化成为生产清洁氢气的非常有前途的手段
然而，的析氧反应很慢，王说
结果，整个水分解反应的速率受到缓慢的OER的限制
该反应需要通过催化剂来促进，也就是说，促进反应的材料本身不会在该过程中被消耗
迄今为止，还没有开发出用于促进析氧反应的经济上可行的电催化剂
王和他的同事将注意力集中在的有前途的电催化剂上，以努力更好地理解反应过程，并利用这些见解为该反应设计更高效和稳定的电催化剂
王说，他们重点研究了一类基于钴氧化物的电催化剂的反应，钴氧化物是一种廉价且富含稀土的材料，其特性可以有效地转化为工业规模的应用
在过去的十年中，各种基于氧化钴的电催化剂已经成为促进OER的有希望的候选物
在与耶鲁大学同事的合作中，王和他的团队利用电化学技术、红外光谱和密度泛函理论研究了的两种钴氧化物电催化剂
王说，研究小组通过使用盐包水电解质来控制水的浓度，盐的浓度大约是海水的10倍
因此，研究人员可以通过调节电解质中的盐含量来控制水的活性
他们监测了不同浓度的水对反应速度的影响
王说，这揭示了对钴基电催化剂的作用机理
合著者、不列颠哥伦比亚省化学副教授马提亚斯·瓦格勒和他的研究小组使用红外光谱法，依靠红外光与分子的相互作用，在操作条件下检测OER的反应中间体
他们能够检测到一个关键的反应中间体，这是由耶鲁化学家维克多·巴蒂斯塔和他的研究小组通过计算预测出来的
耶鲁大学的无机化学家加里·布鲁德维格也在项目过程中为团队提供了建议
王说，研究小组想仔细观察氧的演化反应，特别是它是一个逐步的过程，而不是一个单一的事件
水只含有一个氧原子
OER的产物是分子氧，它含有两个氧原子
因此，在OER期间，形成了氧-氧键，他指出
王说，这一领域的研究人员集中在两个中心问题上:这个氧键是如何形成的，以什么步骤形成的？在以前的研究中已经提出了两种主要的机制，但是研究者们还没有解决在什么实验条件下——例如温度，或者施加的电极电势——氧-氧键形成以及哪个机制是主要的
王和他的同事们决定仔细观察所施加的电极电势如何支配氧-氧键形成步骤的机理，因为电催化中的反应是由施加到催化剂上的电势驱动的
王说，研究结果表明，对于氧化物基电催化剂来说，这种机械转换可能是普遍的
“我们非常有兴趣了解这一观察是否也适用于其他有前途的电催化剂，”他说
“特别是，我们目前正在研究具有原子级活性中心的催化剂
与钴基电催化剂相反，其活性中心的原子结构仍未解决，我们的新研究平台包含原子定义明确的催化中心
这将是非常有趣的，看看这些催化剂上是否也发生了电位诱导的机械转换
"
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