陈根：如何利用量子力学，开发新能源催化剂？

文/陈根

能源的发展与革命直接推动了人类社会的变迁与进步，两次工业革命过后，能源发展的重要性越发凸显。但同时，以化石能源（如煤炭、石油等）为代表的传统能源因再生周期长、储量和质量逐年下降等问题，越来越难以满足与日俱增的能源需求，因此，新能源的开发和利用受到广泛关注。

其中，利用太阳能发电被寄予众望。过去几年，将太阳转化为电能的技术发展非常迅速。将水分子分解为氢气和氧气，以燃料的形式把产生的氢气储存下来，并根据需求用于放电，是一种利用太阳能的新方法。

但就目前而言，析氧反应（OER）中所用的催化材料仍然不够高效，以至于这个方法无法在实际中得到应用。能使这项技术得以实现的关键，是寻找水分子分解过程中析氧反应（OER）的高效催化剂。

近日，来自弗吉尼亚大学（UVA）艺术与科学研究院的张森团队与加州理工学院和美国能源部阿贡国家实验室、劳伦斯-伯克利国家实验室和布鲁克海文国家实验室的研究人员合作，利用钴和钛元素生产了一种新型催化剂，并基于最新开发的量子力学计算（GCQM）和原位与离位光谱探针验证的单中心钴原子结构，揭示了析氧反应（OER）的机制。

研究人员提供了一种新工艺，即在二氧化钛纳米晶体表面的原子层面上创建活性催化位点，可产生耐用的催化材料并能够更好地引发析氧反应。同时，研究还基于最新开发的量子力学计算（GCQM），对析氧反应（OER）动力学实验理论进行了详细的验证。

研究团队采用了原位扩展x光吸收精细结构光谱（EXAFS）和原位同步辐射 x 光衍射（SRXRD），对样本结构进行分析，得出了钴通过单中心取代均匀地掺杂在纳米棒中，并且在析氧反应（OER）条件下是稳定的这一结果。随后，经过最新开发的量子力学计算方法（GCQM）对析氧反应速率进行预测，并证实了其预测结果与实验结果的一致。

可以说，这项工作理解并验证了析氧反应（OER）和动力学最新开发的量子力学计算方法（GCQM），为进一步微调电催化剂以提高效率提供了方法基础。同时，也代表着向清洁能源未来迈出了关键一步。其研究结果已发表在在 Nature Catalysis 杂志上。