手性分子在促进水分解方面胜过磁铁

新的电催化电极已经被发明出来，它比传统的电极更简单、更便宜，并且可以大大提高水的分解效率。这些装置装饰有像螺旋烯这样的手性分子，使该过程的瓶颈——析氧反应的活性提高了一倍，并提高了其选择性。

“通过电催化，我们[可以]使用来自可再生能源(如太阳能和风能)的电子来生产清洁的化学品和燃料，”解释说Magali Lingenfelder来自瑞士马克斯·普朗克- epfl分子纳米科学与技术实验室，他领导了这项研究。在这项工作中，她的团队专注于析氧反应。她说:“这是水分解的瓶颈。”“我们想用廉价、简单的解决方案来提高它的性能。”

他们决定研究自旋极化，这一效应此前曾显示出极大的促进氧气生成活动的希望。在分子中，电子要么具有平行自旋，要么具有反平行自旋——过滤一个自旋方向有利于水的分裂，因为它有利于氧的形成。“在这种情况下，手性分子以相同的自旋方向过滤电子——这是一种被称为手性诱导自旋选择性的效应，”林根费尔德解释道。

“在室温下控制电子自旋的能力……将改变技术，”解释道杰斯韦德他是伦敦帝国理工学院手性材料方面的专家。“在这项优雅的研究中，[研究人员]证明了手性分子可以增强自旋依赖的催化反应，比如氧气的生成。韦德指出，这一过程对氧气形成的选择性增强，意味着像过氧化氢这样不必要的副产品会减少。“因为过氧化氢是单线态，它不能在自旋极化的表面上形成。”

电催化剂具有层状结构——一个金表面锚定手性螺旋烯，然后是一层金属氧化物催化水裂解反应。令人惊讶的是，上层足够薄，以保持螺旋烯的极化效果。“这些分子在不接触催化剂表面的情况下增强了反应，”解释说如果史蒂芬斯他是电化学专家，同样来自帝国理工学院。

Lingenfelder声称这种方法简化了反应过程。之前,研究人员利用磁场来实现类似的自旋极化她解释说，这需要在烧瓶周围配备特殊设备。此外，该团队利用手性分子将相同的铁和镍磁性材料功能化，并观察到结果“至少好5倍”。研究人员还简化了制作过程。当分子在表面自组装形成有序的分层结构时，他们可以开发一种旋转涂层技术来制造电极。她补充说:“这是一种标准技术，类似于钙钛矿太阳能电池的生产。”

他补充说:“手性分子增强了氧化镍在析氧反应中的活性，这是一个突破。”通常情况下，有机分子在稳定性方面存在很大的挑战。然而，由于分子不直接暴露在碱性电解质中，长期稳定可能成为现实，Stephens解释道。

斯蒂芬斯说:“(这)提供了一个额外的杠杆来调整氧气生成催化剂……这是一个很好的概念证明。”此外，它还显示出增强其他依赖自旋的电催化反应的潜力。韦德说:“(螺旋烯)在设计上用途广泛，而且制造成本低廉。”这与铁磁材料形成对比，在低温冷却下控制和操作通常更复杂。此外，“新的手性分子[可以]实现高度的极化，[和]更显著的增强率，”她补充道。

“我们利用析氧反应来确定自旋选择性电极的新设计原则，”林根费尔德说。“手性分子能控制非手性小分子的反应，这太神奇了，”她补充道。“当然，我们的指导方针将为改善许多反应中的电催化剂开辟新的可能性，比如二氧化碳的电还原。”