胡鈞 高嶷

1)(中國科學院上海應(yīng)用物理研究所,上海 201800)

2)(中國科學院上海高等研究院,上海 201210)

(2018年12月11日收到;2018年12月29日收到修改稿)

水的催化反應(yīng)在界面進行,對新能源開發(fā)和環(huán)境保護等領(lǐng)域具有至關(guān)重要的作用.理解催化反應(yīng)中材料界面水分子的結(jié)構(gòu)、物性和分子機制,對于解決清潔能源、污水處理等關(guān)系國計民生的重大問題具有關(guān)鍵意義.由于水的復(fù)雜性,對于水分子在催化反應(yīng)中的作用至今仍存在很大爭議.界面水分子在催化反應(yīng)中作為反應(yīng)物、催化劑、溶劑,或是兼而有之,一直是科學界爭論的熱點話題.近年來,隨著原位實驗技術(shù)和計算機能力的快速提高,人們已經(jīng)能夠在原子尺度對催化反應(yīng)中的界面水分子行為進行實時觀測和理論模擬,為解析水在催化反應(yīng)中的作用提供了實驗依據(jù)和理論基礎(chǔ).本文簡述當前催化反應(yīng)中界面水研究面臨的巨大機遇和挑戰(zhàn),以及現(xiàn)有實驗和理論方法的最新進展和所遇到的困難,為設(shè)計優(yōu)化與水應(yīng)用相關(guān)的高效催化劑提供可行的思路.

1 引 言

水是生命之源,和生命相關(guān)的物理和化學過程大多都在水溶液中進行.近年來,隨著工業(yè)發(fā)展和人們生活水平的提高,能源短缺和工業(yè)污染已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的最大威脅[1-4].如何有效利用以水為原料的清潔能源,以及如何降低空氣和飲用水的化學污染,是新能源開發(fā)和環(huán)境保護的首要問題,而催化反應(yīng)則是當前解決這些問題最有效的手段之一.

與催化反應(yīng)相關(guān)的水可分為以下幾類.1)水作為反應(yīng)物,直接參與反應(yīng),如光解水、電解水、水煤氣變換、甲烷重整等[5-8].這類反應(yīng)多與能源相關(guān),常見催化劑有金屬(如Pt,Pd等)、金屬氧化物(TiO2,CeO2等)、生物酶(PSII等)、低維材料(碳納米管、石墨烯等).2)水作為催化劑,促進反應(yīng)進行.如實驗發(fā)現(xiàn)少量水汽參與可加速CO在金團簇表面的氧化[9,10],同時理論研究表明水分子作為催化劑可顯著降低反應(yīng)能壘[11].又如近年中國霧霾經(jīng)常同時發(fā)生,且霧常會促進霾的形成,表明水團簇有可能催化了污染物的生成[12-14].這類反應(yīng)有部分實驗證據(jù)支持,但是水催化的機理和路徑目前知之甚少.3)水作為溶劑協(xié)助催化反應(yīng)發(fā)生.可溶性分子反應(yīng)基本都借助于水作為溶劑,如何增加分子的可溶性是一個重要的研究課題[15,16].4)水中有機物分子的催化降解[17-20].這類反應(yīng)與廢水處理及飲用水安全相關(guān),常見手段有光催化和化學催化等.

與上述催化反應(yīng)相關(guān)的界面主要包含水-固界面和氣-固界面.要完全理解這些界面的催化機理,就必須對上述界面進行原子尺度的表征、解析和理論模擬.近年來,實驗和計算機技術(shù)的快速發(fā)展為人們利用最新的原位表征和理論手段解決這類基礎(chǔ)問題提供了基本條件.本文簡述能源與環(huán)境熱點問題中的與催化相關(guān)的界面水研究現(xiàn)狀及所遇到的問題、目前的實驗手段和理論方法以及未來可能面臨的挑戰(zhàn),為有志于解決這些問題的研究者提供參考.

2 界面水與催化的基本問題

2.1 能源利用中的水與催化

水作為一種清潔能源,核心問題包括兩步:1)如何以水為原料,高效生成氫氣(或生成高附加值的化學品);2)如何有效地結(jié)合氫氣和氧氣生成水,并把化學能轉(zhuǎn)化為電能.將兩步結(jié)合起來,就能夠?qū)崿F(xiàn)從水到水的能量循環(huán),避免生成其他污染物.由于第二步反應(yīng)中水只是產(chǎn)物而不直接參與反應(yīng),所以在本文中略去討論.

2.1.1 水分解制氫

水分解制氫,工業(yè)上通常采用天然氣(碳氫化合物)的蒸汽重整反應(yīng)在高溫下實現(xiàn),化學方程式如下:

該方法需要依賴石油天然氣,同時產(chǎn)生的CO2也是溫室氣體的主要成分,所以并不是未來制備氫氣的理想方法.同樣,甲醇蒸汽重整法(化學方程式(3))也會產(chǎn)生CO2,所以也不是最理想的氫氣制備方法.

近年來,通過直接利用太陽能分解水產(chǎn)生氫氣從而能夠?qū)崿F(xiàn)CO2的零排放,成為發(fā)展清潔能源的一個熱門課題.相關(guān)化學方程式如下:

常用的方法有光電化學法和光催化法.光電化學法是20世紀70年代開始發(fā)展的技術(shù)(圖1),盡管該技術(shù)得到了快速的發(fā)展,但是其材料易被腐蝕(一步法)和功率損耗大(二步法),依然是目前難以克服的問題.

隨著納米技術(shù)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)可以利用納米材料或納米顆粒來直接實現(xiàn)上述的光催化水解氫氣反應(yīng)(圖2).在這個催化體系中,水的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在同一種材料上進行(化學方程式(4),(5)),從而可以很好地降低成本和提高效率.目前的研究熱點集中在如何找到合適的納米電極材料,常用的納米材料有金屬氧化物(如CeO2,ZnO,Fe3O4等)、金屬(鉑、鈀、銥、釕、金、銀等)、合金(鎳-鈷、鎳-錳、鎳-鉬等)以及硅基半導體材料[21-29]等.其中,鉑系金屬材料(釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑)到目前為止在所有材料中具有最高的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性,但是其高昂的價格以及極其有限的儲量使其在工業(yè)方面的應(yīng)用受到極大限制.為了降低成本,常采用鎳合金等廉價金屬來替代貴金屬作為電極材料[21].為了提高這些材料的活性,人們采用了增大催化劑表面積、更換不同的合金材料以及增加催化劑的使用量等方法.如美國阿貢國家實驗室的Markovic研究組[30]在《科學》雜志上報道了使用Li+-Ni(OH)2-Pt的復(fù)合材料可以提高H—OH鍵解離率10倍.盡管這些方法能夠部分地提高廉價金屬電極的活性,但是這類催化劑極易在催化的間歇過程中形成氫化物或者被氧化從而降低催化活性[21].另一方面,盡管鉑系金屬在水解過程中對于析氫反應(yīng)(hydrogen evolution reaction)過程中的氫吸附和吸附的氫結(jié)合生成氫氣并脫附這兩步反應(yīng)具有較高的催化活性,但是對于H—OH鍵斷裂這一步則催化活性不高.而金屬氧化物(如TiO2等)則正好相反,其對于O—OH鍵斷裂這步催化效率很高,而對于氫氣生成及解離這一步催化效率較低.所以找到能夠同時實現(xiàn)促進H—OH鍵斷裂和氫離子生成氫氣的廉價催化體系是當務(wù)之急.

圖1 TiO2光電極水解氫氣原理Fig.1.Hydrolysis of hydrogen by TiO2photoelectrode.

圖2 納米顆粒光催化水解氫氣反應(yīng)的主要過程Fig.2.The main process of photocatalytic hydrolysis of hydrogen by nanoparticles.

結(jié)合上述兩方面的問題,目前的研究熱點也可以分為兩部分:1)發(fā)展具有高催化活性的廉價金屬材料,如美國特拉華大學的Chen等[31]最近報道的Pt單分子層覆蓋的W2C納米顆粒具有很好的穩(wěn)定性和氫生成活性;2)將金屬氧化物和貴金屬一起做成混合催化劑,如Au(Pt)/CeO2等[32],CeOx(TiOx)/Au[33]已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)在水氣變換反應(yīng)中(water-gas shift)具有良好的催化性能.需要指出的是,盡管人們在該領(lǐng)域做了大量的研究工作,但是正如美國麻省理工大學催化中心主任N?rskov教授在綜述中指出“Unfortunately,a material suitable to work as an efficient photo-anode has to meet speci fic requirements…h(huán)ave not yet been met by any candidate[34]”(“不幸的是,還沒有找到任何能夠有效的用于光陽極并且符合特殊要求的候選材料”).

2.1.2 CO2還原

CO2排放造成的溫室效應(yīng)已成為當今社會共同關(guān)心的焦點問題,如何把空氣中的CO2分子直接還原成CO或者具有高附加值的工業(yè)化學品是其中的關(guān)鍵問題.最常用方法是利用水解過程中產(chǎn)生的H+和CO2反應(yīng),通常產(chǎn)生CO(或其他碳氫化合物).相關(guān)化學反應(yīng)如下:

由于CO2單電子還原(方程式6)在中性水溶液中的靜電勢差很大(1.90 V),實際電催化過程中多采用酸性條件以降低靜電勢進行多電子還原,直接生成CO等.但該催化過程通常需要較大的過電位,能量損失大,同時電流效率差,材料穩(wěn)定性差,產(chǎn)量低且選擇性差.2010年以來,人們在尋找新的催化劑方面取得了一定進展,如美國伊利諾斯大學的Asadi等[35]利用MoS2及其同系物在較低過電位的情況下實現(xiàn)了CO2電催化還原的較高轉(zhuǎn)化率;荷蘭雷頓大學的Angamuthu等[36]成功利用銅配合物分子作為催化劑還原CO2成為草酸鹽.但是,尋找兼具低過電位、高活性、高選擇性、高穩(wěn)定性的材料仍是目前主要的研究方向.

另一方面,光催化材料也是人們努力的方向.盡管20世紀70年代Halmann[37]已經(jīng)實現(xiàn)了在水溶液中把CO2光還原為甲酸,但由于目前常用半導體材料(如GaP,CdTe,Si,GaAs,LnP等)的水-固界面反應(yīng)速率很低,需要很高的過電位.近年來人們發(fā)展了一系列新型復(fù)合材料,如哈佛大學的Nocera教授與合作者[38-40]設(shè)計了一系列無機/生物體復(fù)合物,實現(xiàn)了高效的水解和CO2還原的復(fù)合功能.美國加州大學伯克利分校的Niu等[41]利用Ni/有機復(fù)合多孔材料實現(xiàn)了CO2到CO近乎100%轉(zhuǎn)化.但是,如何提高材料表面的穩(wěn)定性和水-固界面的反應(yīng)速率仍然是目前急待解決的問題.

2.2 環(huán)境保護中的水與催化

將廢水純化為潔凈水,是解決人類飲用水問題的關(guān)鍵步驟.目前常見的廢水處理方法包括:沉淀過濾、絮凝、離心分離、蒸餾、揮發(fā)、溶劑萃取、微濾、超濾、離子交換、氧化、正向和反向滲透、有氧和無氧處理、電催化和電滲析、光催化等.近年來隨著納米技術(shù)的發(fā)展,由于納米材料具備超大比表面積、催化活性強、快速溶解、強吸附、局域表面等離子體共振等特點,被廣泛應(yīng)用于廢水處理.廢水處理具有量大、成本低、使用周期長等特點,對材料和工藝的成本及穩(wěn)定性具有較高要求.

針對廢水中常見的化學污染物(如溴酸鹽、氯酸鹽、氰化物和有機污染物等),基于金屬氧化物的光催化是目前最為有效的手段.但是,這些材料有以下缺點:1)能帶帶隙太寬,通常在紫外區(qū)域,吸收可見光效率不高;2)金屬氧化物活性位多為親水位點,不吸附疏水的有機物分子;3)催化劑容易聚集,不利于活性位點的暴露和對入射光的吸收;4)催化劑多為粉末狀,不利于回收.為了克服上述問題,人們采取了一系列方法,譬如在金屬氧化物中摻入其他元素[42-44],或把其他窄帶半導體和金屬氧化物做成復(fù)合材料等[45,46]用于調(diào)節(jié)帶隙并增加量子效率.也有把金屬氧化物摻入碳管和石墨烯[47-49]或者對其進行修飾等[50,51]以提高催化劑活性.但是,這些材料在實際應(yīng)用中受到pH值、溫度、催化劑濃度、污染物種類及濃度等多種因素的影響,要找到能夠在紫外-可見-紅外區(qū)都可用且能有效處理不同水質(zhì)中各類污染物的光催化劑仍具挑戰(zhàn).

對于某些可溶性有機化合物(如草酸、苯胺等)的降解,常利用臭氧的強氧化性和金屬氧化物的催化能力,通過光催化進行[52,53].對于氮磷等無機物污染,則多采用Pt,Pd合金等金屬催化劑[54,55].

2.3 界面水與催化的關(guān)鍵問題

我們知道,與能源和環(huán)境相關(guān)的催化基本都發(fā)生在水-固/氣-固界面,催化劑為半導體材料(如金屬氧化物、鈣鈦礦)、金屬、碳基和硅基材料以及上述材料的復(fù)合物等.但是目前研究主要集中在催化劑材料的自身性質(zhì),對水和催化劑界面的研究并不多.水和催化劑界面不僅包括界面水分子、水團簇或者水層,也包括催化劑界面、反應(yīng)物分子、電解質(zhì)離子、表面活性劑分子,催化反應(yīng)過程中的中間產(chǎn)物和生成物分子、和電化學過程中可能產(chǎn)生的納米氣泡等.所以,要完整理解水-催化劑界面,首先要解析界面水分子和水層結(jié)構(gòu),以及與水接觸的催化劑表面形貌、元素組成、表面結(jié)構(gòu),也包括水-催化劑界面電解質(zhì)離子和表面分子的位置、分布、取向,并進一步理解各組分之間的相互作用.近年來大量實驗證據(jù)表明,催化劑形貌、元素組成、表面結(jié)構(gòu)等在催化過程中并非一成不變,而是隨著反應(yīng)環(huán)境(如溫度、壓力、溶質(zhì)、溶劑、pH值等)的變化而變化,隨之可能造成催化劑表面的界面水分子結(jié)構(gòu)取向、水層結(jié)構(gòu)、氫鍵網(wǎng)絡(luò)、催化劑表面的親疏水性、反應(yīng)物(中間體、生成物)分子的界面吸附脫附都有可能變化,從而導致催化路徑和機理的變化.這就要求我們在催化反應(yīng)過程中對界面水和催化劑自身進行原子尺度的界面原位表征并對其進行定量化描述,從動態(tài)角度來理解和設(shè)計催化劑.

催化過程中界面水相關(guān)的基本科學問題如下:

1)界面水分子構(gòu)型、取向、成團情況、水層結(jié)構(gòu)及氫鍵網(wǎng)絡(luò)、親疏水性、界面離子吸附/脫附構(gòu)型;

2)水溶液(或水汽)環(huán)境中催化劑形貌和表面元素構(gòu)成;光照、電流、溫度、壓力、pH值、溶質(zhì)等因素如何影響催化劑表面形貌和元素組成;

3)在催化反應(yīng)過程中,催化劑形貌、表面元素、界面水分子及水層結(jié)構(gòu)如何作用和變化,這些變化是否影響以及何影響反應(yīng)物分子、電解液中離子、表面活性分子、納米氣泡等在催化劑表面的吸附、脫附、反應(yīng)及遷移;

4)催化反應(yīng)循環(huán)如何影響催化劑形貌和表面元素構(gòu)成;界面水結(jié)構(gòu)和性質(zhì)在循環(huán)中如何變化.

要解決上述問題,必須發(fā)展最先進的原位表征技術(shù),對整個催化過程的水-固(氣-固)界面進行原子尺度、實時原位監(jiān)控和表征,并且借助于理論模型對催化反應(yīng)進行全過程定量模擬.

2.3.1 界面水結(jié)構(gòu)的測量和表征

電極(催化劑)表面水結(jié)構(gòu)是電催化和多相催化的核心問題之一.在20世紀60—70年代,人們在雙電層模型的基礎(chǔ)上,通過電極表面水分子的靜態(tài)偶極取向,發(fā)展了一系列模型來描述界面水層的極化分布[56-58],但是當時通過實驗取得界面水分子結(jié)構(gòu)取向的直接證據(jù)還非常困難.到80年代初,Bewick等[59-61]利用原位紅外反射吸收譜研究了Au,Pt電極在電化學調(diào)制過程中界面水的結(jié)構(gòu).他們在0.1 M HClO4溶液和多晶金電極表面觀察到OH的特征振動峰(3580 cm-1),并將此歸結(jié)為吸附在電極表面的雙分子水[62].隨后,傅里葉變換紅外反射吸收譜[63]、表面增強紅外反射吸收譜等技術(shù)也被用于研究界面水[64].與此同時,沈元壤教授在20世紀80年代末提出的振動和頻光譜能夠精確測量表層水分子構(gòu)型,成為研究電極界面水的重要手段[65,66].自2000年以后,基于表面增強的等離子增強拉曼技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用到界面表征和小分子探測[67],并發(fā)展出了針尖增強拉曼光譜[68-71],殼層分離納米顆粒增強拉曼光譜等[72]全新的表征方法.最近,Shpigel等[73]發(fā)展了原位流動光譜技術(shù)專門用于研究電極的界面水和材料結(jié)構(gòu).需要指出的是,表面光譜技術(shù)得到的是界面水層內(nèi)分子的平均構(gòu)型和性質(zhì),想要直接獲得表面特定局域位置的水分子構(gòu)型仍具挑戰(zhàn).

自2000年以來,隧道掃描顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)等技術(shù)也開始被應(yīng)用于界面水結(jié)構(gòu),用于研究一個到幾個水分子在界面的構(gòu)型、運動和反應(yīng)行為.如英國倫敦大學學院的Thornton等[74]應(yīng)用STM技術(shù)確定了金紅石(110)表面氧缺陷能夠分解單個水分子生成OH.美國威斯康辛大學的Mavrikakis等[75]用高速STM捕捉到氧化物表面通過水分子調(diào)節(jié)的質(zhì)子遷移過程.江穎和王恩哥團隊結(jié)合STM和非接觸AFM表征了NaCl界面的水分子和水團簇結(jié)構(gòu),及其和離子的相互作用[76-78].但是,目前原子表征技術(shù)多用于表征高真空或極低壓下的界面水分子結(jié)構(gòu),解析界面的液態(tài)水結(jié)構(gòu)仍很困難.

2.3.2 水環(huán)境中催化劑界面結(jié)構(gòu)的測量和表征

催化劑尺寸、形狀、表面結(jié)構(gòu)形貌直接決定其性能.近年來研究發(fā)現(xiàn),氣體環(huán)境(包括水汽)可以顯著改變催化劑的形貌和表面元素構(gòu)成.2002年,Hansen等[79]通過原位環(huán)境透射電子顯微鏡觀察Cu/ZnO體系,首先報道了Cu納米團簇形貌在水汽環(huán)境下的可逆變化.隨后的一系列原位掃描透射電子顯微鏡、STM、近常壓X射線光電子能譜(XPS)等實驗證實,不僅氧化和還原氣氛能夠造成納米團簇和金屬的形貌變化、表面重構(gòu)和元素偏析[80-82],甚至惰性氣氛(如N2)也可能改變材料結(jié)構(gòu)[83].但是,水汽如何在反應(yīng)條件下影響納米催化劑的結(jié)構(gòu)和形貌的研究目前仍是空白.

另一方面,為了觀察液態(tài)水中材料表面的變化,液體原位池在電子顯微技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用,如納米顆粒在水中的成核生長過程[84-86]、材料在水中的結(jié)晶、相變和腐蝕等[87-89].Loh等[90]報道了在水溶液中金納米團簇聚合過程中形成的金-水復(fù)合物協(xié)助結(jié)晶過程.但是,電子束輻照對水的影響(如pH值、氣泡等)以及水中的低圖像解析度是目前急待解決的問題.

2.3.3 界面水的理論模擬

隨著計算機能力的大幅提高,近年來人們開始能夠模擬水分子和水團簇在材料表面的吸脫附和相互作用,也可以模擬催化劑界面的水層結(jié)構(gòu)、催化、腐蝕等復(fù)雜化學過程[91-93].目前常用方法包括:從頭計算方法、密度泛函理論、分子動力學模擬、從頭算分子動力學等.自1990年代開始,Parrinello與合作者[94,95]通過從頭算分子動力學方法模擬了水中水合質(zhì)子和水合氫氧根離子的動力學行為.Vittadini等[96]利用密度泛函方法計算了TiO2銳鈦礦(101)和(001)表面不同覆蓋度下水分子的吸附構(gòu)型.2002年,Meng等[97]利用第一性原理分子動力學模擬了Pt(111)表面的雙層水有序結(jié)構(gòu).2010年前后,Fang等[98,99]利用經(jīng)典分子動力學模擬預(yù)言了常溫下材料表面疏水水滴(水層)的存在.這些方法結(jié)合上述原位表征可以更好地解析實驗結(jié)果,從而在原子尺度上理解界面水層和材料表面在催化反應(yīng)中的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化.

但是,現(xiàn)有的理論方法在尺寸、時間和模擬體系上有很大限制.量子方法目前最多計算數(shù)百個原子的體系,所以只能構(gòu)建小尺寸的模型體系,而不能處理真實實驗中納米顆粒及表(界)面體系.量子動力學方法只能模擬皮秒級的物理化學過程,不能模擬電極表面重構(gòu)、納米團簇結(jié)晶融合等長時間過程以及多步反應(yīng)和高能壘反應(yīng)等復(fù)雜過程.經(jīng)典動力學方法可以模擬數(shù)十萬原子的納秒級過程,如水的相變、蛋白質(zhì)分子的折疊等,但不能描述化學鍵(如水的OH鍵)的生成和斷裂等化學過程,故也很難模擬界面水在催化過程中的真實情況.所以,發(fā)展能夠模擬真實反應(yīng)環(huán)境中水-催化劑界面形貌、性質(zhì)變化的理論方法成為當務(wù)之急.

2.4 發(fā)展方向

綜上所述,單一實驗方法能夠解析和表征水-催化劑在特定界面、特定時間的特定性質(zhì),不能同時得到催化劑的表面原子組分、表面結(jié)構(gòu)和形貌、活性位點、界面水結(jié)構(gòu)、構(gòu)型取向、反應(yīng)物分子吸附構(gòu)型等信息.同時由于反應(yīng)環(huán)境的引入,使得體系更為復(fù)雜,對現(xiàn)有表征手段的空間和時間分辨提出了更高的要求.所以,必須借助于多種實驗表征手段對同一體系同時進行原位表征,如結(jié)合基于同步輻射的原位紅外、原位擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)、原位近常壓XPS等手段就有可能在相同的實驗條件下同時得到界面水結(jié)構(gòu)、催化劑表面形貌和組分等信息,為完整揭示催化反應(yīng)機理提供基本的實驗證據(jù).同時,最新的理論模型已經(jīng)能夠準確地描述實驗環(huán)境中的催化劑形貌和表面結(jié)構(gòu)[100,101].如何將這些模型方法應(yīng)用到催化過程中水-催化劑界面的結(jié)構(gòu)形貌和性質(zhì)的描述是未來理論發(fā)展的關(guān)鍵.另一方面,現(xiàn)有實驗方法和理論模型已經(jīng)為水-催化劑界面的研究提供了豐富的實驗證據(jù)和理論預(yù)測.如何通過已有實驗結(jié)果進一步理解界面水的結(jié)構(gòu)和催化機理,以及通過實驗驗證理論預(yù)言,對于進一步的實驗和理論發(fā)展至關(guān)重要.

應(yīng)當注意的是,目前對于水-催化劑界面的理解仍有很多不足.譬如有實驗證據(jù)表明在光催化過程中會產(chǎn)生納米氣泡[102],這些納米氣泡在催化劑表面的吸附、在水中的轉(zhuǎn)移及其存在時間都有可能對催化反應(yīng)速率、光量子效率等產(chǎn)生重要影響.但是目前在該方向上的研究仍非常匱乏.又如電解質(zhì)離子(分子)殼層水結(jié)構(gòu)對于其在材料表面的吸脫附和電極反應(yīng)有著重要意義[91,103].但目前的實驗和理論對于水溶液中以及水-固界面附近的離子殼層水的結(jié)構(gòu)和行為的研究手段仍然有限,很難進行精確表征和模擬.如何發(fā)展更為有效的實驗方法和理論模擬來準確描述水-催化劑的界面性質(zhì)成為目前實驗研究的主要瓶頸.

3 總 結(jié)

水是能源應(yīng)用和環(huán)境保護的關(guān)鍵.不論是水解制氫和CO2還原等清潔能源利用過程,或者是石油、頁巖氣等傳統(tǒng)能源開采,以及人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn),都需要大量的潔凈水,同時也會帶來潔凈水的污染.如何利用催化反應(yīng)來盡量減少能源利用中的水消耗,并能夠有效地減少水污染,需要研究者設(shè)計出更為高效節(jié)能的催化劑,這取決于對于水-催化劑界面結(jié)構(gòu)、行為和機理在原子尺度的理解.原位表征和理論模擬方法的快速發(fā)展為我們提供了精確表征催化過程中水-催化劑界面的可能,對于指導催化劑的設(shè)計、合成和優(yōu)化起到積極作用.