图片来源：内布拉斯加大学林肯分校

内布拉斯加州和中国研究人员确立的研究方案表明，他们将设计成本更低，效率更高的催化剂，以加速氢气生产作为可再生燃料。

来自于内布拉斯加州的曾晓成和他的同事们发现了几个对单原子催化剂的性能至关重要但却易忽略的因素：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演变成一个简单的等式，需要进行曾所说的“信封式的计算”。研究人员通过该方程预测原子及其周围材料的性能，选择合适的催化剂。在这之前，研究人员要找到一个极具前景的单原子催化剂通常要花费大量的时间，以及实验失败后重复无数遍。

“所有这些(相关的)信息都可以很容易地从教科书中获得。”曾说。“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—铂、金、铱的性能，只需花费成本的千分之一。其中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。”曾说。“一种是尽可能少地使用合金，因此单原子催化剂是最便宜的。另一个方向是寻找替代贵金属的材料，如铁、铝或锌，这些金属非常便宜。” 

该小组的原子框架组合可以将水分解为两个组成部分：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，这正是氢燃料电池所需要的副产物。

“目前，这还不是最流行的制氢方式。”曾说。“这个行业仍继续使用化石燃料来生产氢气。所以，我们的动机是：降低成本，使所有这些清洁的，产生燃料的反应变得可行。” 

调研报告

研究人员发现，该变单原子催化剂的原子数，可改变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。 

曾说，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调研报告，研究人员希望在今后的研究中可以扬长避短。 

曾和他的同事认为，该研究所涉及到20多个所谓的过渡金属，在催化反应中通常达不到贵金属的催化性能，何谈取代了。但研究小组表明，只要在合适的环境对钴、铁或其他原子进行包围，如由碳原子构成的蜂窝状石墨烯，或者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，”曾说。“你如何使四分卫发挥他们的作用？你如何在进攻组中找到最好的四分卫？如果你有一个二星级的四分卫，你需要确定一个更好的进攻线。即使是后备四分卫也能做到很好地进攻。”

曾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。