據一些估計，一年內到達地球表面的太陽能量大于我們使用不可再生資源可生產的所有能源之和。將陽光轉化為電能所必需的技術已經迅速發展，

但是，電能的存儲和分配效率低下仍然是一個重大問題，這使得太陽能在大范圍應用不切實際。



但是，UVA學院和藝術與科學研究學院，加州理工學院和美國能源部的阿貢國家實驗室，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取得的突破，

可以消除這一過程中的關鍵障礙，這一發現代表著向清潔能源未來邁進了巨大步伐。



利用太陽能的一種方法是使用太陽能將水分子分解為氧氣和氫氣。該過程產生的氫氣以燃料的形式存儲，可以從一個地方轉移到另一個地方，并根據需要用于發電。

為了將水分子分解成它們的組成部分，催化劑是必需的，但是該方法中當前使用的催化材料（也稱為氧氣逸出反應）的效率不足以使該方法實用。



然而，使用由UVA開發的創新化學策略，由化學教授Sen Zhang和T. Brent Gunnoe領導的一組研究人員使用鈷和鈦元素生產了一種新型的催化劑（Nature Catalysis，

“氧氣在單催化劑上的析出反應明確的板鈦礦TiO2納米棒表面的Co位置”）。這些元素的優點是，它們在本質上比其他常用的包含貴金屬（例如銥或釕）的催化材料豐富得多。



“新工藝涉及在二氧化鈦納米晶體表面的原子級上創建活性催化位點，該技術可產生耐用的催化材料，并且能更好地引發氧釋放反應。” 張說。“有效制氧反應催化劑的新方法以及對它們的基本了解，

是實現向大規模使用可再生太陽能過渡的關鍵。這項工作是通過在原子尺度上調節納米材料來優化清潔能源技術的催化劑效率的完美例子。”



根據Gunnoe的說法，“這項創新以實驗室的成果為中心，代表了一種改進和理解催化材料的新方法，其結果涉及將先進的材料合成，原子能級表征和量子力學理論相結合。”



“幾年前，UVA加入了MAXNET能源財團，該財團由8個Max Planck研究所（德國），UVA和Cardiff University（英國）組成，它們匯集了致力于電催化水氧化的國際合作。

MAXNET Energy是我組與Zhang實驗室之間目前共同努力的種子，該努力一直而且將繼續是富有成果和富有成效的合作，” Gunnoe說。



在阿貢國家實驗室和勞倫斯·伯克利國家實驗室及其最先進的同步加速器X射線吸收光譜儀用戶設施的幫助下，該設施使用輻射來檢查原子級的物質結構，

研究小組發現催化劑具有定義明確的表面結構，這使它們可以清楚地看到催化劑在氧釋放反應的同時如何釋放，并可以準確地評估其性能。



“這項工作使用了來自高級光子源和高級光源的X射線束線，其中包括一部分“快速訪問”程序，用于快速反饋循環，以探索新興或緊迫的科學思想，

” Argonne X-射線物理學家華周，該論文的合著者說，“我們非常高興的是，這兩個國家科學用戶機構都可以為水處理方面的如此巧妙而整潔的工作做出實質性貢獻，這將為清潔能源技術的發展提供飛躍。”



先進光子源和先進光源都是美國能源部（DOE）科學用戶設施辦公室，分別位于DOE的Argonne國家實驗室和Lawrence Berkeley國家實驗室。



此外，加州理工學院的研究人員使用最新開發的量子力學方法能夠準確預測由催化劑引起的氧氣產生速率，從而使研究小組對反應的化學機理有了更深入的了解。



“五年多來，我們一直在開發新的量子力學技術來了解氧釋放反應的機理，但是在所有先前的研究中，我們無法確定確切的催化劑結構。催化劑具有明確的原子結構，我們發現我們的理論輸出與實驗可觀察物基本吻合。

”加州理工學院化學，材料科學與應用物理學教授William A. Goddard III說，他是該項目的主要調查員之一。“這為我們的新理論方法提供了首次強有力的實驗驗證，

我們現在可以將其用于預測甚至可以合成和測試的更好的催化劑。這是邁向全球清潔能源的重要里程碑。”



UVA化學系主任吉爾·文頓（Jill Venton）說：“這項工作是UVA和其他研究人員致力于清潔能源以及這些跨學科合作中令人興奮的發現的團隊努力的一個很好的例子。”

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