使催化表面更加活跃以帮助燃料和化学品脱碳
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——包括将来自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，麻省理工学院的研究可以为使某些催化剂更具活性的方法打开大门，从而提高此类过程的效率。
一种新的生产过程产生的催化剂将化学反应的效率提高了五倍，有可能在生物化学、有机化学、环境化学和电化学中实现有用的新工艺。研究结果发表在Nature Catalysis杂志上，由 MIT 机械工程和材料科学与工程教授、电子研究实验室 (RLE) 成员 Yang Shao-Horn 撰写;王涛，RLE博士后;张毅瑞，机械工程系研究生;和其他五个。
该过程包括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。
“迫切需要使我们如何为轻型车辆以外的运输提供动力、我们如何制造燃料以及我们如何制造材料和化学品来脱碳，”Shao-Horn 说，并强调了在最新的 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这个方向迈出重要的一步。
在燃料电池等电化学装置中使用氢气是一种有前景的方法，可以使航空和重型车辆等领域脱碳，而新工艺可能有助于使此类用途实用化。目前，为这种燃料电池提供动力的氧还原反应因其效率低下而受到限制。以前提高效率的尝试集中在选择不同的催化剂材料或修改它们的表面组成和结构。
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个薄层，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性，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，质子转移可用于通过与氧气反应制造燃料和化学品.
“质子活性和质子转移屏障由离子液体层控制，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。这种效应是由一层薄薄的液体产生的，只有几纳米厚，上面是一层更厚的液体，将进行反应。
“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，所涉及的相邻水分子之间有如此多的相互作用，以至于很难分辨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，因此可以使用红外光谱详细研究反应。
因此，Wang 说：“我们的发现强调了界面电解质，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——不要太活跃或太惰性——以提高反应速度。”
Reshma Rao 最近从麻省理工学院博士毕业，现在是伦敦帝国理工学院的博士后，也是该论文的合著者，他说，通过其中一些技术，“我们看到活动增加了五倍。我认为这项研究最令人兴奋的部分是它开辟了我们对催化的思考方式的全新维度。”她说，该领域在寻找设计更好材料的方法方面遇到了“某种障碍”。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率。”
