俄克拉荷马大学的研究人员近日取得了一项原子层面的重大发现，这一成果或许能助力提升可再生能源的利用效率，为氢能领域的发展带来新曙光。
开创测量新技术，探索氢能反应能量
俄克拉荷马大学的研究团队开创性地研发出一种测量复杂材料中氢转移能量的方法，为能源存储和可再生能源技术的进步开辟了道路。这项由该校博士生纳兹米耶・格克切・阿尔廷切基奇（Nazmiye Gökçe Altınçekic）主导的研究，运用了一种名为开路电位的技术，对一种被称为金属 - 有机框架（MOF）的混合材料内的能量变化展开研究。
此次研究选用的 MOF 具有与二氧化钛相似的结构，而二氧化钛是一种在能源应用领域广泛使用的材料。值得一提的是，这是首次运用开路电位技术来测量该材料中氢转移反应的能量变化。
该研究的首席研究员、助理教授 Hyunho Noh 表示：“从化石燃料向更多低碳燃料来源的转变，离不开这类反应。此外，若我们期望从大气中捕获二氧化碳并将其转化为可用燃料（碳捕集技术），这些发现至关重要。”
氢原子键能奥秘，影响反应关键因素
据 Hyunho Noh 介绍，氢原子与材料表面的键合强度是决定其反应活性的关键所在。他将这种所需的键能与金洛克原理相类比：“我们既不希望键合能量过低，也不希望过高。若反应活性太弱，氢原子与表面之间的键就无法形成；若键能过强，氢原子则永远无法从表面脱离。因此，我们期望将催化剂调整到一个完美的范围，使其键能既足够强以引发反应，又不会过强而导致氢原子无法脱离。”
此前，研究人员多通过反复试验、混合搭配材料的方式来制造这些催化剂，期望找到理想的组合。而阿尔廷切基奇和 Hyunho Noh 则另辟蹊径，他们首先直接测量 MOF 的结合能，并将该数值作为基础，进一步对 MOF 进行优化调整。四年级博士生钱斯・兰德（Chance Lander）随后负责通过计算对这些反应进行预测。
兰德表示：“我们想探究氢原子在 MOF 上的位置是否会对键合产生显著影响。借助计算化学，我们得以逐步推进，测试多种配置，并在原子层面观察反应情况。”
研究成果意义重大，助力清洁能源发展
研究小组发现，这种 MOF 中氢原子的结合能与此前发表的研究结果存在差异。俄克拉荷马大学的研究成果表明，通过调整这些反应中的能量，可以丰富二氧化钛材料及其反应活性的相关知识储备。这有可能为未来的研究人员研发更优质的清洁能源材料提供帮助。
Hyunho Noh 说：“我们证实，即便 MOF 和二氧化钛看似相同，但二者的结合能却大相径庭。这是材料本身的原因？还是这种特定的连接方式导致了这一特定数值？这有待未来的研究去确定，但这无疑是令人兴奋的发现。”
项目详情与研究支持
此项研究成果以《胶体金属 - 有机框架 Ti - MIL - 125 在 Ti - oxo 节点上的电化学确定和结构合理的热化学》为题发表于《美国化学学会杂志》，论文 DOI 编号为 10.1021/jacs.4c10421。
Hyunho Noh是俄克拉荷马大学道奇家庭文理学院化学与生物化学系的助理教授。俄克拉荷马大学的 Yihan Shao 以及西北大学的艾曼・罗斯兰（Ayman Rosland）和 Jiaqi Yu 也为研究提供了支持。俄克拉荷马大学图书馆以及研究与合作关系副校长办公室提供了资金支持。
俄克拉荷马大学简介
俄克拉荷马大学始建于 1890 年，是一所坐落于俄克拉荷马州诺曼市的公立研究型大学。作为该州的旗舰大学，俄克拉荷马大学致力于满足本州、地区乃至全国在教育、文化、经济和医疗保健等方面的需求。（信息来源：俄克拉荷马大学官网）