近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所江凌研究員和李剛副研究員團隊采用基于大連相干光源自主研制的紅外—極紫外(IR-VUV)雙共振紅外光譜實驗方法,利用中性釩金屬雙聚體,實現(xiàn)了水的高效分解。
水分解是一種制造可再生和環(huán)保能源的富有前景的方法。由于分散在載體上的金屬原子/團簇可提高許多反應(yīng)的催化性能,研究金屬原子/團簇與水分子之間的反應(yīng)機理,有助于在分子水平上闡明水分解的微觀機制。中性團簇由于缺乏電荷,難于探測和質(zhì)量選擇,實驗研究非常困難。因此,實現(xiàn)中性金屬團簇與水的反應(yīng)機理研究是科學(xué)家們長期以來的夢想。

針對上述挑戰(zhàn),江凌和李剛團隊發(fā)展了高通量的激光濺射團簇源,利用基于大連相干光源自主研制的紅外—極紫外(IR-VUV)雙共振紅外光譜實驗方法(The Journal of Physical Chemistry Letters,2020),研究了中性釩金屬雙聚體與水的反應(yīng)過程。本工作中,團隊采用激光濺射和超聲分子束冷卻技術(shù),制備了中性V2O3H4和V2O4H6產(chǎn)物;將紅外激光振動激發(fā)與準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的193nm極紫外激光電離相結(jié)合,測定了它們的紅外光譜。此外,團隊還采用高精度的量子化學(xué)理論方法,計算了這些產(chǎn)物的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和紅外光譜,理論和實驗結(jié)果高度吻合。研究表明,這些產(chǎn)物具有V2(μ2-OH)(μ2-H)(η1-OH)2和V2(μ2-OH)2(η1-H)2(η1-OH)2的新奇結(jié)構(gòu),顯示了水分解的特征。理論計算表明,基于V2的水分解在氣相條件下是熱力學(xué)放熱、動力學(xué)可行。該工作發(fā)現(xiàn)了中性金屬單團簇基的水分解,為系統(tǒng)研究金屬團簇對能源分子的催化作用機制提供了新策略。
相關(guān)研究成果以“Size-Specific Infrared Spectroscopic Study of the Reactions between Water Molecules and Neutral Vanadium Dimer: Evidence for Water Splitting”為題,于近日發(fā)表在《物理化學(xué)快報》(The Journal of Physical Chemistry Letters)上。該工作的第一作者是中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所2506組博士研究生鄭會俊。該工作得到科技部科技創(chuàng)新2030重大項目、國家自然科學(xué)基金委“動態(tài)化學(xué)前沿研究”科學(xué)中心項目、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所大連相干光源專項基金等項目的資助。(文/圖 轉(zhuǎn)自中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所所主頁)