南希·W
麻省理工学院斯托弗 该图展示了生产可再生燃料和化学品的化学反应的两种观点
上面的方程式表示反应物(R)加上氧气(O2)转化为产物(P)加上水(H2O)
下图说明了研究人员的假设，即总反应是发生在不同催化剂材料上的两个协同半反应的结果，这里用灰色结构表示
在左边的催化剂上，反应物转化为产物，将电子(e-)送入碳载体材料(黑色)，将质子(H+)送入水(蓝色)
在右边的催化剂上，电子和质子被消耗掉，因为它们推动了氧转化为水的反应
鸣谢:图片由研究人员提供
能源系统脱碳的一个挑战是知道如何处理新型燃料
传统的燃料，如天然气和石油，可以与其他材料混合，然后加热到高温，使它们发生化学反应，产生其他有用的燃料或物质，甚至做功的能量
但是像生物燃料这样的新材料不能在不分解的情况下吸收同样多的热量
这种化学反应中的一个关键成分是一种特别设计的固体催化剂，加入这种催化剂是为了促进反应发生，但它本身不会在反应过程中被消耗掉
对于传统材料，固体催化剂通常与气体相互作用；但是对于从生物质中提取的燃料，例如，催化剂必须与液体一起工作——这对设计催化剂的人来说是一个特殊的挑战
近十年来，麻省理工学院的化学副教授Yogesh Surendranath一直专注于固体催化剂和液体之间的化学反应，但在不同的情况下:他和他的团队没有使用热量来驱动反应，而是从电池或可再生资源(如风能或太阳能)输入电力，给化学上不活跃的分子更多的能量，使他们发生反应
他们研究的关键是设计和制造固体催化剂，这种催化剂对涉及液体的反应非常有效
认识到需要使用生物质来开发可持续的液体燃料，Surendranath想知道他和他的团队是否可以利用他们在设计催化剂方面学到的原理，用电驱动液-固反应，并将它们应用于在没有任何电输入的情况下发生在液-固界面的反应
令他们惊讶的是，他们发现他们的知识是直接相关的
为什么？“令人惊讶的是，我们发现，即使你不把电线接到催化剂上，也有微小的内部‘电线’在起作用，”Surendranath说
“所以，人们通常认为在没有电流的情况下进行的反应实际上确实涉及电子从一个地方穿梭到另一个地方
这意味着Surendranath和他的团队可以利用强大的电化学技术来解决设计可持续燃料催化剂的问题
一个新颖的假设 他们的工作集中在一类在能量转换中起重要作用的化学反应上，这些反应包括向有机(含碳)小分子如乙醇、甲醇和甲酸中添加氧
传统的假设是反应物和氧气发生化学反应，形成产物和水
固体催化剂——通常是金属的组合——提供了反应物和氧气相互作用的场所
但是Surendranath对正在发生的事情提出了不同的观点
在通常的设置中，两种催化剂，每一种都由许多纳米粒子组成，被安装在导电的碳基底上，并浸没在水中
在这种排列中，带负电的电子可以轻易地通过碳，而带正电的质子可以轻易地通过水
Surendranath的假设是反应物向产物的转化是通过在两种催化剂上的两个独立的“半反应”进行的
在一种催化剂上，反应物转化为产物，在这个过程中，电子进入碳基质，质子进入水中
那些电子和质子被另一种催化剂获得，在那里它们驱动氧到水的转化
因此，不是单一的反应，而是两个独立但协调的半反应一起实现反应物到产物的净转化
因此，整个反应实际上不涉及任何净电子产生或消耗
这是一个标准的“热”反应，由分子中的能量和一些附加的热量产生
设计用于这种反应的催化剂的传统方法将集中于提高反应物到产物的转化率
这种反应的最佳催化剂可能是，比如说，金或钯或其他一些昂贵的贵金属
然而，如果那个反应真的包括两个半反应，正如Surendranath所提出的，在它们之间就有电荷流(电子和质子)
因此，Surendranath和该领域的其他人可以使用电化学技术，为整个反应设计两种不同的催化剂，一种加速一个半反应，另一种加速另一个半反应
“这意味着我们不必设计一种催化剂来承担加速整个反应的所有重担，”Surendranath说
“我们也许可以将两种低成本、地球资源丰富的催化剂配对，每种催化剂都能很好地完成一半的反应，它们一起快速有效地进行整体转化
" 但是还有一点需要考虑:电子可以流过整个催化剂复合材料，包括催化剂颗粒和碳基材
为了使化学转化尽可能快地发生，电子进入催化剂复合物的速率必须与它们被取出的速率完全匹配
仅关注电子，如果第一催化剂上的反应-产物转化每秒向催化剂复合物中的“电子浴”发送的电子数与第二催化剂上的氧-水转化获得的电子数相同，则两个半反应将达到平衡，电子流(以及组合反应的速率)将很快
诀窍是为每个半反应找到好的催化剂，在电子进出方面完全匹配
“一个好的催化剂或一对催化剂可以保持一个电势——本质上是一个电压——在这个电势下，两个半反应都是快速且平衡的，”Jaeyune Ryu Ph
D
21岁，Surendranath实验室的前成员，该研究的主要作者；Ryu现在是哈佛大学的博士后
“反应速率是相等的，在整个热反应过程中，催化剂复合物中的电压不会改变
" 借鉴电化学 基于他们的新认识，Surendranath、Ryu和他们的同事转向电化学技术来为每个半反应确定一种良好的催化剂，这种催化剂也可以配对在一起很好地工作
他们的分析框架用于指导结合两个半反应的系统的催化剂开发，该框架基于一种理论，该理论已用于理解腐蚀近100年，但很少用于理解或设计涉及对能量转换重要的小分子的反应的催化剂
他们工作的关键是稳压器，一种可以被动测量系统电压或主动改变电压以引起反应发生的电压表
在他们的实验中，Surendranath和他的团队使用恒电位仪实时测量催化剂的电压，监测它如何在毫秒之间变化
然后，他们将这些电压测量值与同时但独立的总催化速率测量值相关联，以了解反应路径
为了研究与能量相关的小分子的转化，他们首先测试了一系列催化剂，以找到适合每个半反应的催化剂——一种将反应物转化为产物，产生电子和质子，另一种将氧转化为水，消耗电子和质子
在每一种情况下，一个有希望的候选者都会产生一个快速的反应——也就是说，电子和质子快速进出
为了帮助确定执行第一个半反应的有效催化剂，研究人员使用恒电位仪输入精心控制的电压，并测量流经催化剂的电流
一个好的催化剂会在很小的外加电压下产生大量的电流；不良催化剂将需要高施加电压来获得相同量的电流
然后，研究小组遵循同样的程序，为第二个半反应确定一个好的催化剂
为了加快整个反应，研究人员需要找到两种匹配良好的催化剂——在给定的施加电压下，每种催化剂的电流量都很高，以确保一种催化剂产生快速的电子和质子流，另一种催化剂以相同的速度消耗它们
为了测试有前途的对，研究人员使用恒电位仪测量净催化过程中催化剂复合物的电压——不像以前那样改变电压，但现在只是从微小的样本中测量电压
在每个测试中，电压会自然地稳定在某个水平，目标是当两个反应的速率都很高时，电压会稳定下来
验证他们的假设并展望未来 通过测试这两个半反应，研究人员可以测量每个反应的反应速率如何随着施加电压的变化而变化
通过这些测量，他们可以预测整个反应进行得最快的电压
对整个反应的测量与他们的预测相符，支持了他们的假设
该团队使用电化学技术来检查被认为本质上是严格热反应的新方法，为这些反应发生的详细步骤提供了新的见解，从而为如何设计催化剂来加速这些反应提供了新的见解
“我们现在可以采用分而治之的策略，”Ryu说
“我们知道，我们研究中的净热反应是通过两个‘隐藏’但耦合的半反应发生的，因此我们可以一次优化一个半反应”——可能为一个或两个半反应使用低成本催化剂材料
Surendranath补充道，“我们在这项研究中感到兴奋的一件事是，结果本身并不是最终的
它确实在我们的研究计划中开辟了一个全新的领域，包括为可再生燃料和化学品的生产和转化设计催化剂的新方法
"
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