研究人员发现一种新型耐用铜形式，有望在水分解过程中显著提升效率

来自 实验室仪器网

研究人员使用先进的计算方法和一种新颖的X射线技术，合作寻找一种更耐用的铜形式，能够分解水。铜有很多用途——用于电线、管道甚至硬币。铜储量丰富且价格相对较低，长期以来一直被用作加速化学反应的催化剂，特别是水和二氧化碳电解，其中铜用作电极和催化剂，使用电力生产燃料。

问题是，普通铜并不是最耐用的催化剂，因此研究人员一直在寻找改进它的方法。一种方法是氧化它，这个过程与生锈铁基本相同。在1970年代，化学家MarcelPourbaix提出理论，应该存在特别耐用的高度氧化铜形式。从那时起，研究人员一直在寻找这些形式。

现在，实验室的研究人员团队终于通过先进的计算方法和最先进的实验技术发现了这种难以捉摸的铜形式。研究结果发表在《美国化学学会杂志》上，揭示了这种特殊形式的铜在什么条件下最稳定，为制造更耐用的铜催化剂铺平了道路。

为了生产这种材料，特别是一种化学式为CuOOH的氢氧化铜，研究人员将电流施加到浸没在电解质浴中的铜电极上。

但是，由于需要考虑精确的电压、酸度和许多其他变量，生产和鉴定这种铜化合物不仅仅是打开系统的问题。为了应对这一挑战，研究员使用强大的计算方法来预测他们可以产生他们所追求的铜化合物的条件。在能源研究科学计算中心的超级计算机的帮助下，他们做到了这一点。

该团队接下来转向SLAC的斯坦福同步辐射光源（SSRL）的明亮X射线来测试这些预测。由于催化反应发生在催化剂的前几个原子层中，因此他们需要在作条件下对表面反应敏感的技术，以详细捕获氧化铜化合物的形成。

一种新技术具有这种敏感性。调制激发X射线吸收光谱由SSRL和伯克利实验室的研究人员开发，在用X射线探测样品的同时，快速打开和关闭电脉冲，揭示铜电极中的“结构指纹”。正如计算所预测的那样，我们可以看到一种我们以前从未见过的新铜光谱特征，表明氢氧化铜的存在。

该团队还想了解另一个重要的拼图：这种铜化合物是如何形成的。研究员使用了另一种专业技术，即原位拉曼光谱。他们将可见光照射在样品上，以测量原子之间的键是如何振动的。这些分子振动就像指纹一样，有助于识别不同的化学物质。当电压增加到高水平时（超出铜研究中通常使用的水平），出现了一个新信号。该信号与计算预测相匹配，提供了铜转变为CuOOH相的有力证据。

这些计算和指纹表明，在正确的形式下，铜可以承受更高的工作电压，从而提高其耐用性，提高铜催化剂的耐久性在电化学分解水（将水分解成氧气和氢气的过程）中具有重要意义，这有助于以更具成本效益、能源密集度更低的方式创造社会所需的燃料，尤其是在使用太阳能而不是其他能源的情况下。虽然铜现在仅用于带负电荷的水分解电极，但结果为将铜用于带负电荷和带正电荷的电极打开了大门，从而有可能取代现在使用的更昂贵和稀缺的材料。

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