加州大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）的化學(xué)家正在重新設(shè)計(jì)催化劑，他們的方法會(huì)，可以深刻影響化學(xué)工業(yè)，也會(huì)影響市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的氫燃料電池車輛。
輝鉬礦（上部）是一種流行的催化劑，但反應(yīng)只發(fā)生在邊緣位置，就在圈內(nèi)的地方，這里有鉬硫硫呈三角形突出。加州大學(xué)伯克利分校/勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家們，創(chuàng)造的分子（下部），只有一個(gè)活性部位三角，可有效地把水轉(zhuǎn)換成氫。來源：加州大學(xué)伯克利分校
催化劑這種材料，通常是金屬，可加速化學(xué)反應(yīng)，廣泛用于合成化學(xué)品和藥物。它們也用于汽車催化轉(zhuǎn)換器，把燃燒的化學(xué)品改變?yōu)槲廴据^少的排放物，它們還用于燃料電池，把水轉(zhuǎn)換成氫。
然而，問題是，催化劑的化學(xué)反應(yīng)只發(fā)生在邊緣或材料的缺陷中，而大部分金屬，通常是昂貴的鉑，都是惰性的，會(huì)被浪費(fèi)。
有一篇文章本周發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家表明，如何制作一種催化劑，使它只包含邊緣，而且證明，它可以進(jìn)行催化，用水生產(chǎn)氫，很方便，因?yàn)槌Ｒ?guī)催化劑的邊緣和缺陷部位。
“這是一個(gè)概念上的進(jìn)步，這種方式，我們考慮要用來生產(chǎn)氫氣，這是一種清潔燃燒的燃料，而采用的水是一種可持續(xù)資源，”克里斯托弗•常（Christopher Chang）說，他是加州大學(xué)伯克利分校霍華德•休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員，也是化學(xué)副教授。“我們的新的催化劑只是第一代，但是，這項(xiàng)研究會(huì)給我們和團(tuán)體帶來一條途徑，可以考慮如何提高功能活性部位的密度，這樣，這些分子和材料就可以成為更有效的催化劑。”
目前，創(chuàng)造這些催化劑是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，并不比使用傳統(tǒng)催化劑便宜，但是，這些工作使克里斯托弗•常和其他人可以簡(jiǎn)化工藝，創(chuàng)造的材料具有數(shù)十億個(gè)活性部位，都位于起皺的晶圓上，很像充滿皺紋的土豆片，可以帶來更便宜、商業(yè)上更可行的燃料電池催化劑。
“開發(fā)新的地球上豐富的催化劑，用于水的分解，這是一項(xiàng)重要的任務(wù)，全世界都在努力擺脫化石燃料，走向太陽能，”論文的合著者杰弗里•朗格（Jeffrey Long）說，他是加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)教授，也是勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory.）研究科學(xué)家。
克里斯托弗•常和他在加州大學(xué)伯克利分校的同事，采用一種普通的催化劑，就是輝鉬礦（molybdenite），因?yàn)樗茹K金（platinum）更便宜，而且日益依賴于用作燃料電池催化劑。因?yàn)榘f和硫（MoS2：二硫化鉬），所以，這種材料催化反應(yīng)，比如把水分解成氫氣和氧氣，就只發(fā)生在邊緣，這里，呈三角形的鉬和兩個(gè)硫原子伸出來，就像一面三角旗。
“這些邊緣部位看起來就像鉬-硫-硫（MoSS）三角形，而就是這個(gè)三角區(qū)起作用，” 克里斯托弗•常說。
使用復(fù)雜的有機(jī)合成技術(shù)，克里斯托弗•常說，他和他的同事們創(chuàng)造了一種小型碳框架，可以容納鉬-硫-硫三角形，這樣，“每一個(gè)分子就都有一個(gè)離散的邊緣部位，這也就是一個(gè)催化活性單位。”
這些單分子催化劑大量?jī)A倒在酸性水中，甚至海水中，它們就會(huì)生成氫，好幾天不會(huì)停下來。
在今后的研究中，克里斯托弗•常希望，把數(shù)十億個(gè)這樣的分子聚集在薄薄的多皺晶圓上，從而最大限度地增加給定體積的催化位點(diǎn)數(shù)量，提高最終效率。
“還有許多其他類型的材料，人們希望生成邊緣部位的碎片，而不是使用成塊材料，這些材料只有很少的邊緣和缺陷點(diǎn)位，”克里斯托弗•常說。“因?yàn)闅浔徽J(rèn)為是一種清潔燃燒的燃料，不產(chǎn)生二氧化碳，因此，創(chuàng)造更便宜和更好的催化劑就成為很重要的研究領(lǐng)域。主要推動(dòng)力是采用地球上更豐富的材料，而不是采用稀有金屬，比如鉑。”
