该图说明了在电催化过程中提高反应速率的新过程。 由金或铂制成的催化剂层显示为底部的灰色球体，而要催化的材料显示为顶部的辐射球体。 在其间添加一层离子液体，显示为六角晶格，可以将反应速率提高五倍。 左图详细说明了氧气（红色）和氢气（绿色）如何通过该过程以更高的速度结合形成水。 学分：由麻省理工学院新闻编辑的研究人员提供
使催化表面更活跃，以帮助脱碳燃料和化学品
一种新方法提高了对许多工业过程至关重要的化学反应的效率。
使用催化剂加速的电化学反应是制造和使用燃料、化学品和材料的许多过程的核心——包括将可再生能源的电力储存在化学键中，这是使运输燃料脱碳的重要能力。 现在，研究在 麻省理工学院简介 可以为提高某些催化剂的活性打开大门，从而提高此类过程的效率。
一种新的生产工艺产生的催化剂将化学反应的效率提高了五倍，可能会在生物化学、有机化学、环境化学和电化学中实现有用的新工艺。 研究结果在期刊中进行了描述 自然催化，由麻省理工学院机械工程和材料科学与工程教授、电子研究实验室 (RLE) 成员杨绍宏 (Yang Shao-Horn) 撰写的论文； 王涛，RLE博士后； 张奕瑞，机械工程系研究生； 和其他五个人。
该过程涉及在金或铂催化剂和化学原料之间添加一层所谓的离子液体。 用这种方法生产的催化剂有可能使氢燃料更有效地转化为燃料电池等动力装置，或者更有效地将二氧化碳转化为燃料。
Shao-Horn 表示：“我们迫切需要对轻型车辆以外的运输方式、燃料制造方式以及材料和化学品制造方式进行脱碳，”他强调了最新 IPCC 中强调的减少碳排放的紧迫呼吁气候变化报告。 她说，这种增强催化活性的新方法可以朝着这个方向迈出重要一步。
在燃料电池等电化学装置中使用氢是一种很有前途的方法，可以使航空和重型车辆等领域的脱碳，而新工艺可能有助于使这些用途变得实用。 目前，为这种燃料电池提供动力的氧还原反应受到其效率低下的限制。 以前提高该效率的尝试集中在选择不同的催化剂材料或改变它们的表面组成和结构上。
然而，在这项研究中，该团队没有修改固体表面，而是在催化剂和电解质之间添加了一层薄层，电解质是参与化学反应的活性材料。 他们发现，离子液体层调节质子的活动，有助于提高界面上发生的化学反应的速率。
由于有多种此类离子液体可供选择，因此可以“调整”质子活性和反应速率以匹配涉及质子转移的过程所需的能量学，该过程可用于通过与氧气的反应制造燃料和化学品.
“质子活性和质子转移的障碍由离子液体层控制，因此在涉及质子和电子转移的反应的催化活性方面存在很大的可调节性，”Shao-Horn 说。 这种效应是由一层非常薄的液体产生的，只有几纳米厚，在它上面是要进行反应的更厚的一层液体。
“我认为这个概念新颖而重要，”该论文的第一作者王说，“因为人们知道质子活动在许多电化学反应中很重要，但研究起来非常具有挑战性。” 这是因为在水环境中，相邻的水分子之间存在如此多的相互作用，很难区分出哪些反应正在发生。 通过使用离子液体，其离子只能与中间材料形成单键，可以使用红外光谱详细研究反应。
因此，Wang 说：“我们的发现突出了界面电解质，特别是分子间氢键在提高电催化过程活性方面的关键作用。 它还提供了在量子力学水平上对质子转移机制的基本见解，这可以推动了解质子和电子如何在催化界面上相互作用的前沿。”
“这项工作也令人兴奋，因为它为人们提供了如何调整催化剂的设计原则，”张说。 “我们需要一些处于‘最佳位置’的物种——不太活跃或太惰性——来提高反应速度。”
Reshma Rao 说，利用其中一些技术，麻省理工学院最近的博士毕业生，现在伦敦帝国理工学院的博士后，也是该论文的合著者，“我们看到活动增加了五倍。 我认为这项研究中最令人兴奋的部分是它为我们思考催化的方式开辟了一个全新的维度。” 她说，在寻找设计更好材料的方法时，该领域遇到了“一种障碍”。 通过关注液体层而不是材料表面，“这是看待这个问题的一种完全不同的方式，并开辟了一个全新的维度，一个全新的轴，我们可以沿着它改变事物并优化一些这些反应速度。”
参考文献：“通过调整界面氢键增强氧还原电催化”，作者 Tao Wang、Yirui Zhang、Botao Huang、Bin Cai、Reshma R. Rao、Livia Giordano、Shi-Gang Sun 和 Yang Shao-Horn，6 年 2021 月 XNUMX 日， 自然催化.
DOI: 10.1038/s41929-021-00668-0
该团队还包括麻省理工学院电子研究实验室的 Botao Huang、Bin Cai 和 Livia Giordano，以及中国厦门大学的 Shi-Gang Sun。 这项工作得到了丰田研究所的支持，并使用了美国国家科学基金会的极端科学与工程环境。
