來(lái)自美國(guó)能源部西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的工作人員正一步步揭示由銠、硼以及其他原子簇組成的催化劑的特性。該催化劑能與硼烷氨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣。硼烷氨是一種能大密度儲(chǔ)存氫的分子。
西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家羅杰·盧梭與大家分享了他的想法。他說(shuō)：“近期的一系列研究讓我們逐步意識(shí)到在催化劑‘解救’被‘困’氫氣的過(guò)程中哪一步是最艱難的。我們現(xiàn)在要做的就是改變這艱難的一步，讓氫氣‘越獄’變得更容易，從而優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)。”
在所有的催化劑中，正在界面催化劑研究所開展研究工作的化學(xué)家寄希望于一種以金屬銠為基礎(chǔ)的催化劑。雖然基本元素相同，但催化劑的結(jié)構(gòu)卻是千變?nèi)f化，因此性能也會(huì)有天壤之別。為能找到最佳目標(biāo)，使氫氣產(chǎn)量達(dá)到最高，科學(xué)家們對(duì)不同結(jié)構(gòu)的催化劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。已經(jīng)進(jìn)行過(guò)測(cè)試的結(jié)構(gòu)中包括四面體以及中間含4個(gè)銠原子的三棱錐結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員使用的是X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)法（XAFS）。XAFS是一種光譜分析法，通過(guò)X射線處理測(cè)試催化劑的元素組成、分子內(nèi)原子結(jié)構(gòu)，以及化學(xué)、物理性質(zhì)等。此外，美國(guó)能源部環(huán)境分子科學(xué)研究室的科學(xué)家也收集到了大量有關(guān)催化劑的數(shù)據(jù)。不過(guò)這些數(shù)據(jù)多而雜，需要大量的時(shí)間和精力進(jìn)行分析才能為研究人員所用。為解決數(shù)據(jù)過(guò)多過(guò)雜的難題，研究人員希望通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出一個(gè)理論上能與所有數(shù)據(jù)相匹配的催化劑分子結(jié)構(gòu)。
為確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性，研究人員將硼烷氨、催化劑結(jié)構(gòu)的XAFS光譜分析和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)合了起來(lái)。催化劑結(jié)構(gòu)的化學(xué)性質(zhì)以及實(shí)驗(yàn)室中得到的輔助數(shù)據(jù)幫助研究團(tuán)隊(duì)用圖表精確描繪出了催化劑與硼烷氨反應(yīng)的過(guò)程。研究人員表示，由于催化劑一直處于活躍狀態(tài)，很難進(jìn)行精確觀察，但不可否認(rèn)的是，目前用來(lái)測(cè)試的催化劑的性能很好。
催化劑與硼烷氨的反應(yīng)過(guò)程如下：首先，催化劑會(huì)找到硼烷氨分子中氫原子所在的位置。一個(gè)硼烷氨分子中含有一個(gè)氮原子，2個(gè)氫原子在其周圍。然后，催化劑會(huì)將兩個(gè)氫原子中的一個(gè)分離出來(lái)，這就是研究人員尋找的“解救”被“困”氫原子的過(guò)程中最艱難的一步。一旦有一個(gè)氫原子被分離出來(lái)，硼原子與剩余氫原子之間的結(jié)合就會(huì)變得極不穩(wěn)定。這樣一來(lái)，第三步就變得容易多了。最后一步也是最簡(jiǎn)單的一步，催化劑將剩余的氫原子分離，反應(yīng)完成。被分離出來(lái)的氫原子可以應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池之中，產(chǎn)生電力。
