陳根：量子力學助力開發新型催化劑，清潔能源邁出關鍵一步_風聞

文/陳根

能源的發展與革命直接推動了人類社會的變遷與進步，兩次工業革命過後，能源發展的重要性越發凸顯。但同時，以化石能源（如煤炭、石油等）為代表的傳統能源因再生週期長、儲量和質量逐年下降等問題，越來越難以滿足與日俱增的能源需求，因此，新能源的開發和利用受到廣泛關注。

其中，利用太陽能發電被寄予眾望。過去幾年，將太陽轉化為電能的技術發展非常迅速。將水分子分解為氫氣和氧氣，以燃料的形式把產生的氫氣儲存下來，並根據需求用於放電，是一種利用太陽能的新方法。

但就目前而言，析氧反應（OER）中所用的催化材料仍然不夠高效，以至於這個方法無法在實際中得到應用。能使這項技術得以實現的關鍵，是尋找水分子分解過程中析氧反應（OER）的高效催化劑。

近日，來自弗吉尼亞大學（UVA）藝術與科學研究院的張森團隊與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合作，利用鈷和鈦元素生產了一種新型催化劑，並基於最新開發的量子力學計算（GCQM）和原位與離位光譜探針驗證的單中心鈷原子結構，揭示了析氧反應（OER）的機制。

研究人員****提供了一種新工藝，即在二氧化鈦納米晶體表面的原子層面上創建活性催化位點，可產生耐用的催化材料並能夠更好地引發析氧反應。同時，研究還基於最新開發的量子力學計算（GCQM），對析氧反應（OER）動力學實驗理論進行了詳細的驗證。

研究團隊採用了原位擴展x光吸收精細結構光譜（EXAFS）和原位同步輻射 x 光衍射（SRXRD），對樣本結構進行分析，得出了鈷通過單中心取代均勻地摻雜在納米棒中，並且在析氧反應（OER）條件下是穩定的這一結果。隨後**，經過最新開發的量子力學計算方法（GCQM）對析氧反應速率進行預測，並證實了其預測結果與實驗結果的一致。**

可以説，這項工作理解並驗證了析氧反應（OER）和動力學最新開發的量子力學計算方法（GCQM），為進一步微調電催化劑以提高效率提供了方法基礎。同時，也代表着向清潔能源未來邁出了關鍵一步。其研究結果已發表在在 Nature Catalysis 雜誌上。