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績。

圖丨美國阿爾貢實驗室化學家DuganHayes,<而X射線吸收光譜則成功觀測到高價鈷離子的位置。最終。LinChen,以及 RyanHadt找到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，而且可以在發(fā)生清潔能源的方法中代替現(xiàn)存的貴金屬催化劑

該團隊把鈷元素用在催化步驟中，鈷在大自然中相對豐富，利息也相對低廉。相應的情況下，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，能通過鈷看到反應發(fā)生的瞬間片段，而非一個模糊的化學變化。工業(yè)純水設備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，能用這種資料合成太陽能燃料。該論文的第一作者之一，阿爾貢研究員 RyanHadt表示。

電解水反應大體上能被分為兩部分。研究者們主要專注于第一部分，也就是水的氧化。這一過程需要轉化四個質子和四個電子，并在兩個氧原子之間形成共價鍵，于是就必需有一個其他原子與氧原子臨時成鍵，這就是所需的含鈷催化劑。

該反應之所以值得研究，因為鈷與氧成鍵的過程發(fā)生在少于十億分之一秒之內。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丈量。

通過分析科學家發(fā)現(xiàn)，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(wěn)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。

如此高價的鈷離子會把氫氧共價鍵中的氫原子擠走，并代替氫與氧離子成鍵。此時氫原子已經(jīng)被解放，鈷離子又會把氧離子上多余的兩個電子拉走，于是氧也勝利被還原了最后，上海純水設備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(tài)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，并通過理論計算一個名為“交換耦合”量子力學數(shù)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重要作用，Hadt補充道。因為它為化學鍵同時提供兩個電子創(chuàng)造了可能。

而X射線吸收光譜則成功觀測到高價鈷離子的位置。最終，看到反應的具體的位置和過程，通過電子的轉化看到催化劑的性質。

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