科學家通過新方法提高化學反應的效率 以幫助燃料和化學品“脫碳”

據外媒報道，一種新方法提高了化學反應的效率，這些反應是許多工業過程的關鍵。使用催化劑加速的電化學反應是製造和使用燃料、化學品和材料的許多過程的核心–包括用化學鍵儲存來自可再生能源的電力，這是運輸燃料去碳化的一項重要能力。現在，麻省理工學院的研究可能為使某些催化劑更加活躍打開了大門，從而提高了此類工藝的效率。

一種新的生產工藝產生的催化劑將化學反應的效率提高了五倍，有可能使生物化學、有機化學、環境化學和電化學的有用新工藝成為可能。這些發現在《自然-催化》雜誌上有所描述，論文作者是麻省理工學院機械工程和材料科學與工程教授、電子研究實驗室（RLE）成員楊少紅；RLE的博士后王濤；機械工程系的研究生張怡瑞和其他五人。

該過程涉及在金或鉑催化劑和化學原料之間添加一層所謂的離子液體。用這種方法生產的催化劑有可能使氫氣燃料更有效地轉化為燃料電池等動力裝置，或更有效地將二氧化碳轉化為燃料。

楊少紅說：“現在迫切需要使我們如何為輕型車輛以外的運輸提供動力，如何製造燃料，以及如何製造材料和化學品脫碳，”她強調了IPCC關於氣候變化的最新報告中強調的減少碳排放的迫切要求。她表示，這種提高催化活性的新方法可以在這個方向上邁出重要一步。

在燃料電池等電化學裝置中使用氫氣是使航空和重型車輛等領域脫碳的一種有希望的方法，而這種新工藝可能有助於使這種使用成為現實。目前，為此類燃料電池提供動力的氧還原反應因其效率低下而受到限制。以前為提高該效率所做的嘗試主要集中在選擇不同的催化劑材料或修改其表面成分和結構。

然而，在這項研究中，研究小組沒有修改固體表面，而是在催化劑和電解質（參與化學反應的活性材料）之間增加了一個薄層。他們發現，離子液體層可以調節質子的活性，幫助提高界面上發生的化學反應的速度。

因為有大量這樣的離子液體可供選擇，所以有可能”調整”質子活性和反應速率，以匹配涉及質子轉移的過程所需的能量，這可用於通過與氧氣反應製造燃料和化學品。

楊少紅表示：“質子活性和質子轉移的障礙由離子液體層控制，因此在涉及質子和電子轉移的反應的催化活性方面有很大的可調性。而且這種效果是由一個極薄的液體層產生的，只有幾納米厚，上面是一個要進行反應的更厚的液體層。”

論文的第一作者王濤說：“我認為這個概念是新穎和重要的，因為人們知道質子活動在許多電化學反應中是很重要的，但它的研究非常具有挑戰性。”這是因為在水環境中，相鄰的水分子之間有許多相互作用，因此很難區分出哪些反應正在發生。通過使用離子液體，其每個離子只能與中間材料形成一個單一的鍵，就有可能使用紅外光譜來詳細研究這些反應。

因此，王濤說：“我們的發現強調了界面電解質，特別是分子間的氫鍵，在提高電催化過程的活性方面可以發揮關鍵作用。它還提供了關於量子力學層面的質子轉移機制的基本見解，這可以推動了解質子和電子在催化界面上如何互動的前沿。”

“這項工作也很令人興奮，因為它給人們提供了一個如何調控催化劑的設計原則，”張怡瑞說。“我們需要一些正好處於‘甜蜜點’的東西–不要太活躍或太惰性–來提高反應速率。”

該論文的共同作者Reshma Rao說，有了其中的一些技術，“我們看到活性最多可增加五倍。我認為這項研究最令人興奮的部分是它為我們思考催化問題的方式開闢了一個全新的維度。” 她說，該領域在尋找設計更好的材料方面遇到了“一種路障”。通過關注液態層而不是材料的表面，“這是一種看待這個問題的完全不同的方式，並開闢了一個全新的維度，一個全新的軸線，我們可以沿着這個軸線來改變事物並優化其中的一些反應速率。”