作者:博尔德科罗拉多大学乔纳森·拉布
信用:Pixabay/CC0公共领域
发表在《自然·材料》杂志上的副教授Tanja Cuk和他的同事们的新研究揭示了一种基本的化学反应——水分解产生氢等分子燃料
库克是科罗拉多大学博尔德化学系和材料科学与工程项目的教师，也是可再生和可持续能源研究所的研究员
当水经历这样的反应时，有许多不连续的反应步骤应该依次发生
库克的实验室专门为这些步骤计时，从而将单个反应作为更广泛过程的一部分进行分离
“这篇论文在时间上分离了其中一个反应步骤，因此我们可以在更广泛的反应中进一步了解那个离散步骤的能量学——它之前和之后的键有多强或多弱，”库克说
理解形成一种化学物质所需的自由能是它作为燃料来源的关键
如果一个元素的电化学键很弱，它就有高能势，因为它很容易断裂
“类似于植物的自然行为，我们试图打破水的束缚，改造氧气的束缚，”库克说
“剩下的质子产生氢作为燃料
" 库克和她的团队利用脉冲光伏效应产生电流，并调整水的酸碱度，以获得更多具有更高酸碱度的第一步产物——反应中间体
这产生了一条曲线，从该曲线可以确定该反应步骤的自由能变化
“电化学反应是由电荷驱动的，”库克说
“我们有一个电极，我们在上面发光
这是输入整个反应的能量
但是我们照射脉冲光，这样我们就可以在整个产生燃料的反应中对不同的反应步骤进行计时
" 因为阳光是连续的，它会模糊与化学反应相关的各个步骤
原则上使用脉冲光允许研究人员通过实验确定每个亚稳态反应步骤所需的自由能
然而，脉冲光光谱学，通常被称为泵探针或时间分辨光谱学，还没有达到这一点
这项工作通过实验确定了材料表面水的第一次电子和质子转移的自由能变化
这种理解对材料科学特别重要，因为理论家用它来区分水分解催化剂的活性
如果这是一个困难的、高能耗的过程，催化剂在生产最终燃料氢气方面就没有那么有效了
伊利亚·维诺格拉多夫，库克研究小组的博士后研究员，与RASEI一起，为建立瞬态反射率装置做出了贡献，编写了新的数据采集软件，并指导研究生进行数据采集和分析
MSE的研究生Suryansh Suryansh和Hanna Lyle获得了数据并处理了数据集
物理学研究生迈克尔·保利诺帮助收集了最新的数据
维诺格拉多夫进一步推进了由研究助理Aritra Mandal领导的SVD分析，并对论文中描述的轮换分析做出了贡献
维诺格拉多夫说:“这项研究很有影响力，因为它为水分解催化提供了一个重要的理论材料性能预测指标——第一个电子转移步骤的自由能变化——的实验测量。”
“如果一种材料的描述符与器件性能有很好的相关性，人们可以通过计算优化描述符的化学成分和晶体结构，而不是直接测量器件的性能
" 这使得研究人员能够更高效、更快速地评估不同材料的表现，从而节省了需要进行实验的材料的时间和成本
维诺格拉多夫说:“尽管我们的方法在产量和精度方面还不太成熟，但一个更坚实的实验基础可能有助于改进材料设计策略的一个方法是发现理论家可能错过的非理想性。”
这有助于提高描述符的预测精度
" Cuk说，这些非理想性中的一些可能与反应动力学或中间产物翻转的时间有关，而不是直接与每个反应步骤的自由能有关
她说:“这对于真正可持续的储能循环非常重要，在这个循环中，产品的周转率与阳光照射进来的速度保持一致。”
“通过使用时间分辨光谱学，我们可以得到限制燃料生产的自由能和速率
"
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