拆开氢气后首次观察自然催化剂可以为更好的燃料电池提供见解

该研究小组首次在4月22日的AngewandteChemie国际版网站上报告说，这项研究是科学家首次准确地证明了氢分子在分解催化剂结构中的最终位置。这种催化剂的设计灵感来自一种叫做氢化酶的天然蛋白质。

“催化剂向我们展示了天然氢化酶系统可能发生的情况，”能源部太平洋西北国家实验室的莫里斯布洛克说。“催化剂就是作用的地方，但是天然酶在催化位点周围有一个巨大的蛋白质。由于蛋白质的复杂性，我们很难看到我们用催化剂看到的东西。”

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氢动力燃料电池提供燃烧化石燃料的替代方案，后者产生温室气体。分子氢-通过富含能量的化学键连接的两个氢原子-供给燃料电池。通过化学反应发电，燃料电池吐出水和电力。

如果使用可再生能源在分子氢中储存能量，这些燃料电池可以是碳中性的。但燃料电池并不便宜，不适合日常使用。

为了使燃料电池更便宜，研究人员转向使用天然氢化酶来获取灵感。这些酶以与燃料电池相同的方式打破氢气的能量。但是，虽然传统的燃料电池催化剂需要昂贵的铂，但天然酶在其核心使用廉价的铁或镍。

研究人员一直在设计受氢化酶核心启发并对其进行测试的催化剂。在这项工作中，打破氢分子的一个重要步骤，以便可以捕获债券的能量，因为电力不均衡地打破了债券。该催化剂必须产生带正电的质子和带负电的氢化物，而不是产生两个相等的氢原子。

催化剂的物理形状-以及电化学信息-可以揭示它是如何做到的。到目前为止，科学家已经使用X射线晶体学确定了使用廉价金属的催化剂的整体结构，但是使用X射线无法精确定位氢原子。基于化学和X射线方法，研究人员对氢原子的位置有最好的猜测，但想象力无法替代现实。

布洛克，天“”Leo“Liu和他们在美国能源部能源前沿研究中心之一的PNNL分子电催化中心的同事与田纳西州橡树岭国家实验室的散裂中子源科学家合作，寻找潜伏的质子和氢化物。使用像手电筒这样的中子束，研究人员可以精确定位形成其铁基催化剂骨架结构的原子核。

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为了在中子晶体学中使用它们的铁基催化剂，该团队必须对其进行化学改性，以便以恰当的方式与氢分子发生反应。与X射线晶体学相比，中子晶体学还需要更大的晶体作为起始材料。

“我们正在设计一种代表化学反应中间体的分子，它需要特殊的实验技术，”刘说。“需要六个多月的时间才能找到合适的条件来生长适合中子衍射的大型单晶。再花六个月的时间来确定分裂H2分子的位置。”

将目标催化剂结晶成几乎是X射线所需尺寸40倍的熔核，该团队成功地确定了铁基催化剂的结构。

他们发现，这种结构证实了基于化学分析的理论。例如，杠铃形氢分子依次进入催化剂核心。在分裂时，带负电的氢化物附着在催化剂中心的铁上;同时，带正电的质子附着在催化核心上的氮原子上。研究人员期待这种设置，但没有人在之前的实际结构中准确地描述它。

在这种形式中，氢化物和质子形成了科学家不常见的一种键-二氢键。分子中两个氢原子之间富含能量的化学键称为共价键，非常强。另一种被称为“氢键”的键是在略微正的氢和另一个略微负的原子之间形成的弱键。

氢键通过在分子内或两个独立分子之间折叠时固定分子结构来稳定分子的结构。氢键也是水表面张力，冰浮漂能力甚至雪花形状的关键。

在结构中看到的二氢键比单个氢键强得多。测量原子之间的距离揭示了键的紧密程度。该团队发现二氢键比典型的氢键短得多，但比典型的共价键长。事实上，研究人员报告说，二氢键是迄今为止确定的最短型。

这种异常强烈的二氢键可能会影响催化剂平衡撕裂氢分子并将其重新组合在一起的程度。这种平衡使催化剂有效地工作。

布洛克说：“我们的效率并不太可接受。”“现在我们只想让它更高效，更快。”

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