研究人员探索优化碳基催化剂的新方法

碳基材料具有多种特性，使其成为加速化学反应的催化剂。它们成本低、重量轻，其高表面积为锚定催化剂提供了良好的支架，使催化剂保持稳定并分散得很远，同时为分子提供大量的表面积来发挥作用。这使得碳可用于能量存储和传感器。在过去的十年中，碳已被用于电化学领域，以催化化学反应和燃料电池的制造。

然而，在《自然通讯》最近报道的工作中，特拉华大学的DionVlachos和能源创新催化中心(CCEI)的研究人员与布鲁克海文国家实验室的合作者在开发技术以更好地了解氧气在碳基催化剂性能中所扮演的角色时，取得了一些令人惊讶的发现。

据弗拉科斯说，他们的发现颠覆了他们对化学的一些了解。

并非所有的氧气都是一样的

尽管碳很实用，但人们对碳的了解还不够深入。它们也不统一。碳材料有时含有氧，这种氧可以有多种不同的形式——如醇、醛、酮或酸。一个悬而未决的问题是这些碳材料中的氧有何作用。

因此，Vlachos和一组研究人员采用碳分子并系统地引入越来越多的氧气，然后使用光谱技术对所得材料进行表征，以测量存在的氧气数量和类型。研究人员对大约10到15种材料的库进行了此操作，然后使用不同的含氧碳进行反应。这使得他们能够使用机器学习工具将碳材料的反应性与存在的氧的数量和类型相关联。

该团队的工作表明，氧气的数量和类型与表现之间存在联系，包括哪些氧气更活跃。与直觉相反，研究人员还发现了一些令人惊讶的事情：远离催化剂位点的芳环的长程影响有时会导致碳的醇基变得比有机化学小酸中常见的酸性碳官能团更酸性。

起初，研究人员感到惊讶，但随后他们进行了一些计算，并证实这种效果是由于芳环中的醇基含氧碳所致。

“碳具有芳香环，”UnidelDanRich能源主席兼CCEI(美国能源部支持的能源前沿研究中心)主任Vlachos说。“材料中添加的碳环越多，产生区域现象的机会就越大，即来自远处的远程效应可以对催化剂位点的活性产生控制作用。”

典型催化化学的情况并非如此，其影响非常局部。例如，键A影响键B，仅此而已。

“整个化学思维是颠倒的。这是出乎意料的，”他补充道。

在应用方面，Vlachos表示，这意味着如果研究人员想要制造酸性更强的碳催化剂，他们将需要使用更多的醇官能团，在本例中为羟基。

研究人员使用先进技术来验证数学模型结果，并描述在化学反应发生时，在接近真实条件下材料中的氧会发生什么变化。

美国能源部布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室功能纳米材料中心的材料科学家AnibalBoscoboinik表示：“特拉华大学团队通过使用先进的工具和方法解开了复杂的催化系统，完成了一项令人印象深刻的壮举。”“我们很高兴通过在功能纳米材料中心使用特殊的光谱学进行测量，在这一重大成就中发挥了作用。”

通过这种确定化学各部分作用的新方法，研究团队可以测试不同的材料制造技术，看看哪种方法效果最好。例如，所有氧分子在加速催化反应方面是否都同样有效，或者有些氧分子比其他氧分子更好?Vlachos还很好奇氧源是否可以用来分散金属进行反应。将氧气引入反应以制造材料的传统方法具有腐蚀性，因此寻找更环保的方法可以使更可持续的过程更接近实现。

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