科学家揭示了润湿和催化活性耦合的新见解

时间：2021-10-17 16:24:58 来源：

具有良好润湿性质的材料，如左侧所示，其中液滴展开平坦，往往具有附着在表面上的羟基，其抑制催化活性。击退水的材料，如右侧所示，其中液滴形成尖锐的陡峭边界，更有利于催化活性，如小橙色分子的反应所示。插图：萧蕾山王

在一个新出版的研究中，研究人员揭示了润湿和催化活性之间的偶联的新见解，并表明催化剂疏水性应在氧气电性水溶液中考虑。

在材料表面发生两个关键物理现象：催化和润湿。催化剂增强了化学反应速率;润湿是指液体如何在表面上传播。

现在，麻省理工学院和其他机构的研究人员发现，这两种过程被认为是不相关的，实际上是密切的。该发现可以使其更容易找到特定应用的新催化剂，以及其他潜在的好处。

“真正令人兴奋的是，我们已经能够将水和氧化物的原子水平相互作用连接到湿法的宏观测量，无论是疏水性还是亲水的，并直接用催化性能连接，”杨邵说-horn，wm凯克能源教授在麻省理工学院和一篇文章的高级作者，描述了物理化学C.“物理化学Checive”的研究结果。该研究专注于一类叫做胰腺感应，净水，电池等植物的钙化，如气体传感，净水，电池和燃料电池。

由于确定表面的润湿性是“微不足道”，机械工程副教授Kriipa Varanasi称，因此现在可以使用该副教授Kriipa Varanasi来预测材料作为催化剂的适用性。由于研究人员倾向于专注于润湿性或催化，这为瓦拉纳西说，这两个领域的研究人员都为研究人员提供了一个框架，因为瓦拉纳西（Varanasi）主要关注润湿性;少号是催化反应专家。

“我们展示了潮湿和催化，这两个表面现象是相关的，”瓦拉纳西说，“以及电子结构如何形成两者之间的联系。”

虽然这两个效果在各种工业流程中都很重要，但已经是大量实证研究的主题，“在分子水平，我们对界面发生的事情很少了解，”邵霍恩说。“这是前进的一步，提供分子层面的理解。”

“这主要是一种实验技术”，使新的理解成为可能，解释了Kelsey Stoerzinger，MIT研究生和论文的牵头作者。虽然大多数尝试研究这种表面科学使用需要真空的仪器，但该团队使用了一种能够在室温下研究潮湿空气和存在的水蒸气的湿气中的反应。她说，使用该系统的实验称为环境压力X射线光电子能，揭示了与水的反应性是整个过程的关键。

水分子分裂以形成羟基 - 与材料表面键合的氢气结合的氧原子。这些反应性化合物又负责增加表面的润湿性质，同时抑制其催化化学反应的能力。因此，对于需要高催化活性的应用，该团队发现，关键要求是表面是疏水的，或非润湿。

“理想情况下，这种理解有助于我们设计新催化剂，”Stoerzinger说。如果给定的材料“对水具有较低的亲和力，则对催化活性具有更高的亲和力。”

少号指出这是一个初步发现，“延长这些趋势以更广泛的材料和羟基亲和力的范围需要进一步调查。”该团队已经开始进一步探索这些领域。她说，这项研究“推出了材料和表面的空间，我们可能会考虑”催化和润湿。

该研究团队还包括研究生沃斯利洪，访问科学家Livia Giordano，并在麻省理工学院的博士延林李和吉安亚·阿齐米; Ethan Crumlin和Hendrik Bluhm在劳伦斯伯克利国家实验室;奥克里奇国家实验室的Michael Biegalski。该工作得到了国家科学基金会和美国能源部的支持。

出版物：Kelsey A. Stoerzinger等，“佩洛夫斯基酯与水的反应性：羟基化在润湿性的作用及其对氧电催化的影响，“J. phy。化学C，2015; DOI：10.1021 / ACS.JPCC.5B06621

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