星報(bào)訊 記者從中科大獲悉，日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用神奇的同步輻射光源發(fā)展出先進(jìn)的表征技術(shù)，在國際上率先探明催化材料在水解氫過程中的真實(shí)結(jié)構(gòu)，為揭示催化過程秘密、提高能源轉(zhuǎn)化效率提供了有力方案，研究成果于1月1日在線發(fā)表在《自然·催化》上。
能源危機(jī)是懸在現(xiàn)代社會(huì)頭頂?shù)倪_(dá)摩克里斯之劍，尋求高效豐富綠色的新型能源是全世界都關(guān)注的問題。從水中分解出清潔無污染且可再生的能源——氫氣是一個(gè)廣受期待的方案，其中催化材料的參與必不可少。催化材料能夠加速并高效完成能量的轉(zhuǎn)化，是提升能量轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵一環(huán)。因此，探明催化過程的奧妙，了解催化材料在實(shí)際工作狀態(tài)下的真實(shí)結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今科學(xué)界和工業(yè)界關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)。
據(jù)介紹，催化反應(yīng)過程往往都是發(fā)生在材料的表界面，但在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的電催化能量轉(zhuǎn)化反應(yīng)環(huán)境中，由于催化材料與電解質(zhì)溶液接觸的固-液表界面處的活性中心和吸附反應(yīng)物的濃度極低、以及活性位結(jié)構(gòu)隨外加電場的動(dòng)態(tài)變化，給探測真實(shí)反應(yīng)活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和中間過渡態(tài)造成了很大的困難和挑戰(zhàn)。高亮度的先進(jìn)同步輻射光源為研究這一亟待突破的電催化能量轉(zhuǎn)化機(jī)制問題提供了手段。
課題組姚濤教授表示：“高度靈敏的同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜學(xué)(XAFS)技術(shù)能夠在原位實(shí)時(shí)在線探測‘工作狀態(tài)’的催化劑的‘一舉一動(dòng)’。”
此次，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室韋世強(qiáng)教授、姚濤教授課題組與化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院楊金龍教授課題組合作，發(fā)展了原位同步輻射XAFS技術(shù)，結(jié)合理論計(jì)算，首次精確鑒別出鈷基催化在電催化析氫反應(yīng)過程中活性位點(diǎn)的真實(shí)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)演化過程。研究團(tuán)隊(duì)依托合肥、北京和上海同步輻射光源建立測試裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測高度均一的鈷基單原子催化材料在堿性電催化析氫反應(yīng)環(huán)境下原子和電子結(jié)構(gòu)的演變過程，清晰地追蹤了鈷原子位點(diǎn)在電催化析氫反應(yīng)過程中的本征活性結(jié)構(gòu)及其發(fā)生的結(jié)構(gòu)重組。
“目前，商業(yè)貴金屬鉑碳催化劑是公認(rèn)的高效穩(wěn)定的析氫材料，研究發(fā)現(xiàn)這種鈷基催化材料在性能和穩(wěn)定性均已接近商業(yè)鉑碳催化劑，但成本僅為貴金屬鉑碳催化劑的一半不到，展現(xiàn)出潛在的廣闊應(yīng)用前景。”研究團(tuán)隊(duì)介紹說，他們利用原位同步輻射譜學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)了活性位在電催化反應(yīng)過程中的高度敏感性，揭開了催化材料在實(shí)際工作狀態(tài)中的真實(shí)面紗。這種原位同步輻射譜學(xué)技術(shù)同樣適用于研究其它光電能量轉(zhuǎn)化反應(yīng)中催化材料表界面的動(dòng)態(tài)過程，此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也為從原子尺度探究催化活性中心結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)，并為今后設(shè)計(jì)高效的能量轉(zhuǎn)化材料提供了新的思路。
胡妍 記者 于彩麗
