據(jù)外媒報(bào)道，一種新方法提高了化學(xué)反應(yīng)的效率，這些反應(yīng)是許多工業(yè)過(guò)程的關(guān)鍵。使用催化劑加速的電化學(xué)反應(yīng)是制造和使用燃料、化學(xué)品和材料的許多過(guò)程的核心--包括用化學(xué)鍵儲(chǔ)存來(lái)自可再生能源的電力，這是運(yùn)輸燃料去碳化的一項(xiàng)重要能力。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究可能為使某些催化劑更加活躍打開了大門，從而提高了此類工藝的效率。

一種新的生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的催化劑將化學(xué)反應(yīng)的效率提高了五倍，有可能使生物化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、環(huán)境化學(xué)和電化學(xué)的有用新工藝成為可能。這些發(fā)現(xiàn)在《自然-催化》雜志上有所描述，論文作者是麻省理工學(xué)院機(jī)械工程和材料科學(xué)與工程教授、電子研究實(shí)驗(yàn)室（RLE）成員楊少紅；RLE的博士后王濤；機(jī)械工程系的研究生張怡瑞和其他五人。

該過(guò)程涉及在金或鉑催化劑和化學(xué)原料之間添加一層所謂的離子液體。用這種方法生產(chǎn)的催化劑有可能使氫氣燃料更有效地轉(zhuǎn)化為燃料電池等動(dòng)力裝置，或更有效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料。

楊少紅說(shuō)：“現(xiàn)在迫切需要使我們?nèi)绾螢檩p型車輛以外的運(yùn)輸提供動(dòng)力，如何制造燃料，以及如何制造材料和化學(xué)品脫碳，”她強(qiáng)調(diào)了IPCC關(guān)于氣候變化的最新報(bào)告中強(qiáng)調(diào)的減少碳排放的迫切要求。她表示，這種提高催化活性的新方法可以在這個(gè)方向上邁出重要一步。

在燃料電池等電化學(xué)裝置中使用氫氣是使航空和重型車輛等領(lǐng)域脫碳的一種有希望的方法，而這種新工藝可能有助于使這種使用成為現(xiàn)實(shí)。目前，為此類燃料電池提供動(dòng)力的氧還原反應(yīng)因其效率低下而受到限制。以前為提高該效率所做的嘗試主要集中在選擇不同的催化劑材料或修改其表面成分和結(jié)構(gòu)。

然而，在這項(xiàng)研究中，研究小組沒(méi)有修改固體表面，而是在催化劑和電解質(zhì)（參與化學(xué)反應(yīng)的活性材料）之間增加了一個(gè)薄層。他們發(fā)現(xiàn)，離子液體層可以調(diào)節(jié)質(zhì)子的活性，幫助提高界面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的速度。

因?yàn)橛写罅窟@樣的離子液體可供選擇，所以有可能"調(diào)整"質(zhì)子活性和反應(yīng)速率，以匹配涉及質(zhì)子轉(zhuǎn)移的過(guò)程所需的能量，這可用于通過(guò)與氧氣反應(yīng)制造燃料和化學(xué)品。

楊少紅表示：“質(zhì)子活性和質(zhì)子轉(zhuǎn)移的障礙由離子液體層控制，因此在涉及質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)的催化活性方面有很大的可調(diào)性。而且這種效果是由一個(gè)極薄的液體層產(chǎn)生的，只有幾納米厚，上面是一個(gè)要進(jìn)行反應(yīng)的更厚的液體層。”

論文的第一作者王濤說(shuō)：“我認(rèn)為這個(gè)概念是新穎和重要的，因?yàn)槿藗冎蕾|(zhì)子活動(dòng)在許多電化學(xué)反應(yīng)中是很重要的，但它的研究非常具有挑戰(zhàn)性。”這是因?yàn)樵谒h(huán)境中，相鄰的水分子之間有許多相互作用，因此很難區(qū)分出哪些反應(yīng)正在發(fā)生。通過(guò)使用離子液體，其每個(gè)離子只能與中間材料形成一個(gè)單一的鍵，就有可能使用紅外光譜來(lái)詳細(xì)研究這些反應(yīng)。

因此，王濤說(shuō)：“我們的發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了界面電解質(zhì)，特別是分子間的氫鍵，在提高電催化過(guò)程的活性方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。它還提供了關(guān)于量子力學(xué)層面的質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)制的基本見(jiàn)解，這可以推動(dòng)了解質(zhì)子和電子在催化界面上如何互動(dòng)的前沿。”

“這項(xiàng)工作也很令人興奮，因?yàn)樗o人們提供了一個(gè)如何調(diào)控催化劑的設(shè)計(jì)原則，”張怡瑞說(shuō)。“我們需要一些正好處于‘甜蜜點(diǎn)’的東西--不要太活躍或太惰性--來(lái)提高反應(yīng)速率。”

該論文的共同作者Reshma Rao說(shuō)，有了其中的一些技術(shù)，“我們看到活性最多可增加五倍。我認(rèn)為這項(xiàng)研究最令人興奮的部分是它為我們思考催化問(wèn)題的方式開辟了一個(gè)全新的維度。” 她說(shuō)，該領(lǐng)域在尋找設(shè)計(jì)更好的材料方面遇到了“一種路障”。通過(guò)關(guān)注液態(tài)層而不是材料的表面，“這是一種看待這個(gè)問(wèn)題的完全不同的方式，并開辟了一個(gè)全新的維度，一個(gè)全新的軸線，我們可以沿著這個(gè)軸線來(lái)改變事物并優(yōu)化其中的一些反應(yīng)速率。”