热力学的深入研究可能会产生更好的催化剂。

热力学的深入研究可能会产生更好的催化剂。

现在已经详细分析了能量转换系统中发生的最基本的化学反应之一,包括催化剂、流电池、大容量储能超级电容器以及利用太阳能生产燃料的系统。这些结果可以为新电极或催化剂材料的开发提供依据。这些属性经过精确调整,以匹配其功能所需的能级。

图片说明:通过将精确的分子位置(用绿色表示)加入石墨电极(以灰色格子表示),研究人员能够研究质子(氢核,以H+表示)和电子(E-)与表面的相互作用,并建立起起起关键作用的质子和电子转移步骤的模型。能量转换反应。信用证:福岛东京

几乎每一个能量转换反应都涉及质子和电子相互反应,在功能性器件中,这些反应通常发生在固体表面,如电池电极上。到目前为止,Surendranath说,“我们还没有很好的基本理解是什么控制着电子和质子在电极上聚集的热力学。我们不理解分子层次上的热力学,”如果没有这方面的知识,为能源装置选择材料很大程度上归结为试验和错误。

他说,许多研究致力于了解分子中的电子-质子反应。在这种情况下,质子与分子结合所需的能量,一种叫做pka的因子,可以与电子与分子结合所需的能量,即还原势区别开来。

知道一个给定分子的这两个数字,就可以预测并随后调整反应性。但是,当反应发生在电极表面时,由于质子转移和电子转移同时发生,没有办法将这两个不同的因素分开。

一个新的框架

在金属表面上,电子可以自由流动,因此每当质子与表面结合时,电子就会进入并瞬间与表面结合。Surendranath说:“所以很难确定只传输电子需要多少能量,只传输质子需要多少能量,因为这样做会导致另一个。”

“如果我们知道如何将能量分为质子转移项和电子转移项,它将指导我们设计一种新的催化剂、新电池或新的燃料电池,在这种情况下,这些反应必须在正确的能量水平上发生,以最佳的效率储存或释放能量。”这是没有人能够理解的原因。他说,Re是因为历史上几乎不可能用分子精度控制电极表面位置。即使估算表面位置的pka,试图首先获得与质子转移相关的能量,也需要分子水平的位置知识。

一种新的方法使这种分子水平的理解成为可能。通过一种他们称之为“石墨结合”的方法,Surendranath和他的团队将特定选择的分子,可以将质子捐赠并接受到石墨电极中,这样分子就成为电极的一部分。

杰克逊说:“通过将选定的分子电子结合到石墨电极上,我们有能力以分子精度设计表面位置。”“我们知道质子在分子水平上与表面结合的位置,也知道与该位置的质子转移反应有关的能量。”

通过将大范围pka值的分子共轭,并在石墨共轭位置上实验测量质子耦合电子转移的相应能量,他们能够构建描述整个反应的框架。

两个设计杠杆

杰克逊说:“我们在这里建立的是一个分子水平模型,它允许我们将电子和质子同时转移到电极表面的整个热力学过程划分为两个独立的组分:一个用于质子,另一个用于电子。”该模型与用于描述这类分子反应的模型非常接近,因此研究人员可以利用简单的分子设计原理更好地设计电催化剂和电池材料。

“这告诉我们,”Surendranath说,“如果我们想设计一个能够以最佳能量传输和接收质子和电子的表面位置,我们可以控制两个设计杠杆。我们可以控制表面的位置和它们对质子的局部亲和力,这就是它们的pka。我们也可以通过改变固体中电子的固有能量来调整它,”这与一个叫做功函数的因子相关。

这意味着,根据Surendranath的说法,“我们现在有了一个理解和设计电极表面质子耦合电子转移反应的一般框架,利用化学家关于什么类型的位置是非常碱性或酸性的,以及什么类型的材料是非常氧化或还原的直觉。”换句话说,它现在为研究人员提供了“系统设计原理”,这有助于指导能量转换反应电极材料的选择。

他说,新的见解可以应用于许多电极材料,包括超级电容器中的金属氧化物、制造氢气或减少二氧化碳的催化剂以及燃料电池中的电极,因为所有这些过程都涉及电极表面电子和质子的转移。

电子-质子转移反应在几乎所有的电化学催化反应中都是普遍存在的,Surendranath说,“因此了解它们是如何在表面上发生的是能够以分子水平理解设计催化材料的第一步。幸运的是,我们现在能够跨越这一里程碑。”

耶鲁大学化学教授詹姆斯·迈尔(James Mayer)表示,这项工作“真的是一项开拓性的工作”,他没有参与这项工作。“化学和电能的相互转换——电催化——是许多可再生能源新方案的核心部分。这通常是用昂贵的稀有金属如铂来完成的。这项工作以一种意想不到的方式显示了相对简单的碳电极的新行为。这为新的思维方式和能源转换的新技术打开了机遇。”

Jeff Warren是布里斯蒂什哥伦比亚大学(British Columbia)伯纳比西蒙弗雷泽大学(Simon Fraser University)的化学助理教授,他没有参与这项研究。他说,这项研究为广泛研究分子中的质子电子反应和缺乏对固体表面反应的研究提供了一个重要的桥梁。

他说:“这造成了一个基本的知识鸿沟,这个领域的工人(包括我自己)已经努力奋斗了至少十年。”“这项工作以一种真正令人满意的方式解决了这个问题。我预计这份手稿中描述的想法将在相当长的一段时间内推动该领域的思考,并将在基础研究人员和应用/工程研究人员之间架起至关重要的桥梁。”

这项研究得到了美国能源部、美国国立卫生研究院、斯隆基金会和科学促进研究公司的支持。

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