維吉尼亞大學開發新型催化劑 大幅提升太陽能利用效率

2021-01-09 騰訊網

蓋世汽車訊 儘管將太陽光轉化為電能的技術發展迅猛，但相關電力儲存和分配設備效率低下，使太陽能應用受到很大限制。據外媒報導，維吉尼亞大學、加州理工學院和美國能源部阿貢國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室和布魯克海文國家實驗室的研究人員取得的突破性進展或將消除這一過程中的關鍵障礙，將極大促進清潔能源發展。

（圖片來源：維吉尼亞大學）

談到利用太陽能，有一種方法是利用光能將水分子分解成氧氣和氫氣。該過程產生的氫氣以燃料形式進行儲存運輸，並根據需要用於發電。為了分解水分子，需要用到催化劑，但是目前用於析氧反應的催化材料效率不夠高，在大規模應用方面存在一定局限性。

鑑於這種情況，維吉尼亞大學（UVA）的研究團隊推出創新化學策略，利用鈷和鈦元素，製造新型催化劑。比起其他常用的含貴金屬催化材料(如銥或釕)，這些元素的儲量要豐富得多。該團隊由 Sen Zhang和T. Brent Gunnoe教授領導。Zhang表示：「新工藝通過在氧化鈦納米晶體表面的原子層面上創建活性催化點，從而產生耐用的催化材料，更好地觸發析氧反應。開發生產高效析氧反應催化劑的新方法，並進行深入研究，是向大規模使用可再生太陽能過渡的關鍵。」

這項工作可以成為完美例證，展示如何通過在原子層面調整納米材料，優化催化劑效率，並用於清潔能源技術。據Gunnoe介紹，「作為了解和改進催化材料的新方法，這一創新以Zhang的實驗室所取得的成果為核心，並將先進材料合成、原子水平表徵和量子力學理論整合在一起。」

此項得到了研究阿貢國家實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室的幫助。通過其領先同步輻射X射線吸收光譜用戶設施(通過輻射檢測原子層面物質結構)，研究團隊發現催化劑具有明確的表面結構，並清晰地看到催化劑在析氧反應期間的演變過程，從而精確地評估其性能。阿貢X射線物理學家Hua Zhou表示：「這項研究使用了先進光子源和先進光源的X射線光束線。」先進光子光源（Advanced Photon Source）和先進光源（Advanced Light Source ）均為美國能源部科學辦公室用戶設施，分別位於阿貢和勞倫斯伯克利實驗室。

此外，加州理工學院（Caltech）的研究人員利用新開發的量子力學方法，能夠準確預測催化劑產生氧氣的速率，為詳細了解反應化學機制提供幫助。該項目的主要研究人員之一、加州理工學院的William A.Goddard III教授表示：「我們的理論輸出基本上與實驗結果完全一致，這是推動全球清潔能源發展的重要裡程碑。」

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