科学家通过新方法提高化学反应的效率 以帮助燃料和化学品“脱碳”

一种新的生产工艺产生的催化剂将化学反应的效率提高了五倍，有可能使生物化学、有机化学、环境化学和电化学的有用新工艺成为可能。这些发现在《自然-催化》杂志上有所描述，论文作者是麻省理工学院机械工程和材料科学与工程教授、电子研究实验室（RLE）成员杨少红；RLE的博士后王涛；机械工程系的研究生张怡瑞和其他五人。

该过程涉及在金或铂催化剂和化学原料之间添加一层所谓的离子液体。用这种方法生产的催化剂有可能使氢气燃料更有效地转化为燃料电池等动力装置，或更有效地将二氧化碳转化为燃料。

杨少红说：“现在迫切需要使我们如何为轻型车辆以外的运输提供动力，如何制造燃料，以及如何制造材料和化学品脱碳，”她强调了IPCC关于气候变化的最新报告中强调的减少碳排放的迫切要求。她表示，这种提高催化活性的新方法可以在这个方向上迈出重要一步。

在燃料电池等电化学装置中使用氢气是使航空和重型车辆等领域脱碳的一种有希望的方法，而这种新工艺可能有助于使这种使用成为现实。目前，为此类燃料电池提供动力的氧还原反应因其效率低下而受到限制。以前为提高该效率所做的尝试主要集中在选择不同的催化剂材料或修改其表面成分和结构。

然而，在这项研究中，研究小组没有修改固体表面，而是在催化剂和电解质（参与化学反应的活性材料）之间增加了一个薄层。他们发现，离子液体层可以调节质子的活性，帮助提高界面上发生的化学反应的速度。

因为有大量这样的离子液体可供选择，所以有可能"调整"质子活性和反应速率，以匹配涉及质子转移的过程所需的能量，这可用于通过与氧气反应制造燃料和化学品。

杨少红表示：“质子活性和质子转移的障碍由离子液体层控制，因此在涉及质子和电子转移的反应的催化活性方面有很大的可调性。而且这种效果是由一个极薄的液体层产生的，只有几纳米厚，上面是一个要进行反应的更厚的液体层。”

论文的第一作者王涛说：“我认为这个概念是新颖和重要的，因为人们知道质子活动在许多电化学反应中是很重要的，但它的研究非常具有挑战性。”这是因为在水环境中，相邻的水分子之间有许多相互作用，因此很难区分出哪些反应正在发生。通过使用离子液体，其每个离子只能与中间材料形成一个单一的键，就有可能使用红外光谱来详细研究这些反应。

因此，王涛说：“我们的发现强调了界面电解质，特别是分子间的氢键，在提高电催化过程的活性方面可以发挥关键作用。它还提供了关于量子力学层面的质子转移机制的基本见解，这可以推动了解质子和电子在催化界面上如何互动的前沿。”

“这项工作也很令人兴奋，因为它给人们提供了一个如何调控催化剂的设计原则，”张怡瑞说。“我们需要一些正好处于‘甜蜜点’的东西–不要太活跃或太惰性–来提高反应速率。”

该论文的共同作者Reshma Rao说，有了其中的一些技术，“我们看到活性最多可增加五倍。我认为这项研究最令人兴奋的部分是它为我们思考催化问题的方式开辟了一个全新的维度。” 她说，该领域在寻找设计更好的材料方面遇到了“一种路障”。通过关注液态层而不是材料的表面，“这是一种看待这个问题的完全不同的方式，并开辟了一个全新的维度，一个全新的轴线，我们可以沿着这个轴线来改变事物并优化其中的一些反应速率。”