作者:大卫·L
麻省理工学院钱德勒 析氧反应在各种工业过程中很重要
一项新的研究在分子水平上提供了该过程的详细分析
如图所示，研究人员分析了水分子(H2O，左)是如何被二氧化钌(中心)表面的特定位置催化形成氧分子(O2，右)的
学分:麻省理工学院 一种叫做二氧化钌的晶体化合物被广泛应用于工业过程中，它对催化分解水分子和释放氧气的化学反应特别重要
但是在这种材料表面发生的确切机制，以及晶体表面的取向如何影响这种反应，还没有被详细确定
现在，麻省理工学院和其他几个机构的一组研究人员第一次能够在原子水平上直接研究这个过程
新的发现发表在本周的《自然催化》杂志上，论文由麻省理工学院教授邵阳-霍恩、最近的研究生雷什玛·拉奥、曼努埃尔·科尔布、利维雅·乔尔达诺和朱慧珊·鲁格以及麻省理工学院、阿尔贡国家实验室和其他机构的其他10人撰写
这项工作涉及数年的合作，以及催化过程的逐原子计算机建模和精密实验之间的迭代过程，包括一些使用阿尔贡独特的同步加速器x光设备的实验，该设备允许对材料表面进行原子级探测
“我认为这项工作令人兴奋的一面是，我们把我们对分解水的催化作用的理解提高了一点点，”邵洪恩说
“我们试图了解在反应条件下表面氧位置会发生什么，这是确定分解水的活性位置的关键一步
" 这种被称为析氧反应的催化过程对于生产氢和氨供能源使用、制造合成碳中性燃料以及由金属氧化物制造金属至关重要
根据邵洪恩的说法，目前二氧化钌表面是“水分解催化剂的黄金标准”
拉奥说，虽然在催化剂表面分解水以将氧原子从它们附着的两个氢原子中分离出来的过程看起来很简单，但在分子水平上，“这个界面相当复杂
你有大量的水分子，你的表面可以完全无序，同时发生多个过程
“为了弄清楚这一切，”我们做的第一件事是通过拥有真正定义明确的单晶表面来降低复杂性，“在单晶表面上，每个原子的确切位置都是通过使用同步加速器x光散射来探测表面来确定的
“使用这种技术，我们基本上可以放大顶层，”她说，然后他们可以改变施加到表面的电压，看看水氧化过程是如何影响的
在新的研究中，因为研究人员已经确定了晶体不同表面取向的活性和反应位点，他们能够将这些信息纳入他们在计算机上的分子模型中
这使得他们能够更深入地了解发生在表面特定原子结构上的反应的能量学
饶说，他们发现“这要有趣得多”，因为并不是只有一个网站对这种反应负责
在反应的一系列步骤中，“并不是每个位点都是相同的，但是你有不同的位点可以扮演不同的角色”
不同的速率确定步骤是可能的，水分裂的相对速率受暴露的晶格面的取向的影响，并且新的见解可能有助于优化催化剂的制备方式，以便优化反应速率
饶说，在分子水平上理解这些细微差别的影响可能有助于设计未来的催化剂，使其超过传统的电子结构描述方法所能预测的最高活性水平
邵洪恩补充说，虽然他们的研究专门关注二氧化钌，但他们所做的建模工作可以应用于各种催化过程，所有这些过程都涉及到通过与材料表面活性位点的相互作用来破坏和重建化学键的类似反应
她说，表面活性的模型可以用来帮助筛选用于各种反应的新的潜在催化材料，例如，寻找使用较少稀有、昂贵元素的材料
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