如何高效地提取並保存陽光中的清潔能源一直是人類社會的難題。模仿植物的光合作用把陽光轉化成化學能源的技術早已被提出，通過陽光照射和催化劑的共同作用，科學家將水電離成氫氣和氧氣，這兩種氣體的混合物可燃、易儲存、且無汙染。但該步驟中所應用的催化劑卻成本高昂，無法大規模應用。
近日，美國阿爾貢能源實驗室和哈佛大學的一項研究就在催化劑方面取得了顯赫的成就。
圖丨美國阿爾貢實驗室化學家Dugan Hayes, Lin Chen, 以及 Ryan Hadt找到了一種能夠通過含鈷催化劑加速水電解的過程。含鈷催化劑相對而言較便宜，而且可以在產生清潔能源的步驟中代替現存的貴金屬催化劑
該團隊把鈷元素用在了催化步驟中，鈷在大自然中相對豐富，成本也相對低廉。在相應的情況下，它能像氫原子和氧原子的舞伴一樣為這一場「電子舞蹈」牽線搭橋。
「事實上，我們能通過鈷看到反應發生的瞬間片段，而非一個模糊的化學變化。在交換電子的時間尺度上定義催化劑的性質是非常重要的。」
「含鈷催化劑是如人工樹葉等材料的活性成分，我們能用這種材料合成太陽能燃料。」該論文的第一作者之一，阿爾貢研究員 Ryan Hadt 表示。
電解水反應大體上能被分為兩部分。研究者們主要專注於第一部分，也就是水的氧化。這一過程需要轉化四個質子和四個電子，並在兩個氧原子之間形成共價鍵，於是就必須有一個其他的原子與氧原子臨時成鍵，這就是我們所需的含鈷催化劑。
該反應之所以值得研究，是因為鈷與氧成鍵的過程發生在少於十億分之一秒之內。為了弄明白這一過程，科學家使用了阿爾貢實驗室光子源的X射線吸收光譜進行了詳細測量。
通過分析科學家發現，兩個氧原子間的共價鍵與鈷離子的軌道進行雜化，這時，每個鈷離子都與一個水分子成鍵。該化合物的化學性質暫時是穩定的。緊接著，水分子會從鈷離子上奪取一個電子，也就是把鈷離子的化合價從正三價變成了正四價。
如此高價的的鈷離子會把氫氧共價鍵中的氫原子擠走，並代替氫與氧離子成鍵。此時氫原子已經被解放，鈷離子又會把氧離子上多餘的兩個電子拉走，於是氧也成功被還原了。最後，零價的氫原子和氧原子分別成鍵形成氫分子和氧分子；這樣一來，氣態的太陽能燃料就誕生了。
通過阿爾貢光子源，研究者能夠在反應過程中直接測量鈷的化合價，並通過理論計算一個名為「交換耦合」的量子力學數值。該值定義了氧和鈷之間的電子自旋量。研究者認為這些電子對的自旋方向是相反的，也就是說它們具有反鐵磁性。
「反鐵磁性在氧分子共價鍵的形成過程中起到了重要作用，」Hadt補充道。「因為它為化學鍵同時提供兩個電子創造了可能。」
而X射線吸收光譜則成功觀測到了高價鈷離子的位置。「最終，我們看到了反應的具體的位置和過程，我們通過電子的轉化看到了催化劑的性質。」