元素百科为您介绍简单方程指导清洁能源催化剂的产生。内布拉斯加州和中国研究人员制定的新指导原则，可以指导设计成本较低、效率较高的催化剂，以加速氢作为可再生燃料的生产。

内布拉斯加州Xiao Cheng Zeng和他的同事们已经发现了几个对单原子催化剂的性能至关重要的因素：单个原子，通常是金属的，通过周围的分子骨架锚定，能够启动并加速化学反应。

研究团队将这些变量折叠成一个简单的等式，需要进行Zeng所说的“信封式的计算”。这个方程将使研究人员能够很容易地预测原子及其周围材料的选择将如何影响催化性能。迄今为止，研究人员经常依靠费时的试验和错误找到有前途的单原子催化剂。

“所有这些（相关的）信息都可以很容易地从教科书中获得。”Zeng说。“甚至在做实验之前，你也可以很快地看出这是否是制造催化剂的好方法，我们正在简化程序。”

利用这个方程式，研究小组发现了几个原子框架组合，它们近似于贵金属催化剂的性能—— 铂、金、铱——只需花费成本的千分之一。一个用铂原子代替锰，另一个用钴代替铱。

“有两种（主要）方法来降低这些催化剂的价格。”Zeng说。“一种是尽可能少地使用金属，因此单原子催化剂是最便宜的。另一个方向是寻找替代金属，如铁、铝或锌，这些金属非常便宜。”

该小组的两个原子框架组合可以将水分解为其组成部分：一个氧原子和两个氢原子，后者可作为车辆和其他应用的绿色燃料。另外两个候选催化剂帮助氧原子吸收更多的电子，使它们与带正电的氢原子结合，形成水，这是氢燃料电池所需要的副产品。

“目前，这还不是最流行的制氢方式。”Zeng说。“这个行业仍然使用化石燃料来生产氢气，只是比较便宜。所以，这就是我们的动机：降低成本，使所有这些清洁的，产生燃料的反应变得可行。”

侦察报告

研究人员发现，原子的数量和性质直接结合在一个单原子催化剂上，可以深刻地影响其催化化学反应的方式。在某些情况下，催化原子可以附着在其他三个或四个原子上，每个原子本身就是一个五原子或六个原子环的一部分。这个直接网络中的每一个原子对电子也有一个已知的吸引力，这种吸引力的强度进一步影响催化性能。

Zeng说，相邻原子的排列和性质也很重要，就像一条进攻线对于一个固定的，传球的四分卫很重要。他说，该小组的新公式可以作为研究人员的侦察报告，研究人员希望扩大他们人员的长处或掩盖他们的弱点。

Zeng和他的同事认为，这些人员由20多个所谓的过渡金属组成，它们在催化反应中通常比贵金属还糟糕。但研究小组表明，用合适的环境包围钴、铁或其他第二弦原子——有时是由碳原子构成的蜂窝状石墨烯，有时是由氮原子构成的网络——可以提高其性能。

“每一条进攻线都不一样，”曾晶说。“你如何使四分卫的功能在那口袋里最好？你如何在不同的口袋里找到最好的四分卫？

“如果你有一个二星级的四分卫，你需要一个更好的进攻线。即使是后备四分卫也能很好地在正确的路线上运行。”

曾庆红与北京化工大学的同事共同完成了这项研究。这项研究发表在《自然催化》杂志上，并在美国化学学会出版的《化学与工程新闻》杂志上得到了突出报道。