加州理工学院团队荣获2024年Faraday Horizon奖

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加州理工学院（2024USNews美国大学排名：7）的William A. Goddard III博士及其团队因其在物理化学领域的杰出贡献，荣获2024年英国皇家化学学会（RSC）颁发的Faraday Horizon奖。这一奖项旨在表彰在物理化学领域取得重大新发现或进展的研究人员。此次获奖的研究主要由加州大学洛杉矶分校（UCLA）化学与生物化学教授Xiangfeng Duan领导的团队完成，他们开发的电传输光谱（ETS）技术使得在纳米尺度上研究电化学界面的表面化学成为可能。具体而言，团队利用ETS技术实验确定了铂纳米线表面水合氢离子（H₃O⁺）的酸度及其在pH依赖的氢气生成反应中的作用。RSC在声明中表示，该团队在理解水与铂表面的相互作用方面取得了突破，这对于氢燃料电池等清洁能源技术至关重要。

William A. Goddard III及其团队在物理化学领域的贡献

William A. Goddard III博士是加州理工学院的杰出教授，他在物理化学领域的研究成果斐然。Goddard博士及其团队在量子力学和分子模拟方面的研究，为理解和预测化学反应提供了新的视角。例如，香港城市大学的研究人员发现，通过使用单壁碳纳米管作为支撑来对电催化剂施加应变，可以显著提高二氧化碳还原为甲醇的效率。这一突破为开发高效转化二氧化碳（CO2）为有用化学品和燃料的弯曲分子电催化剂开辟了新途径，从而减少碳排放。许多分子复合物，如酞菁钴（CoPc），是CO2还原反应（CO2RR）的高效催化剂，但它们主要将CO2还原为有毒的一氧化碳（CO），而不会进一步生成大量有用的产品，如甲醇。研究团队通过采用支撑诱导应变工程，成功地在亚2纳米的催化剂分子中引入了可控应变。与传统的平面分子相比，弯曲分子表现出更好的电催化性能，显示出更高的CO2还原选择性，更倾向于生成甲醇而非一氧化碳。

Faraday Horizon奖的重要性

Faraday Horizon奖是英国皇家化学学会设立的一个重要奖项，旨在表彰在物理化学领域取得重大新发现或进展的研究人员。此次加州理工学院的William A. Goddard III博士及其团队因其在物理化学领域的杰出贡献而获奖，充分体现了这一奖项的权威性和影响力。由加州大学洛杉矶分校（UCLA）化学与生物化学教授Xiangfeng Duan领导的团队，因其开发的电传输光谱（ETS）技术而获奖。该技术使得在纳米尺度上研究电化学界面的表面化学成为可能。团队利用ETS技术实验性地确定了铂纳米线表面水合氢离子（H₃O⁺）的酸度及其在pH依赖的氢气生成反应中的作用。RSC在声明中表示，这一突破对于清洁能源技术如氢燃料电池至关重要。研究揭示了铂表面附近水的酸度（pKa）远高于正常水平，这有助于解释不同溶液的pH如何影响这些表面的氢气生产。

Xiangfeng Duan团队开发的ETS技术及其影响

在电化学界面原位监测对于理解和优化电催化剂至关重要。传统的光谱技术通常难以用于原位电化学研究。Xiangfeng Duan团队开发的电传输光谱（ETS）技术，提供了一种芯片上电传输光谱方法，用于直接探测金属纳米催化剂的电化学表面。通过四电极装置配置，研究表明超细铂纳米线的电学性质对电化学表面状态高度敏感和选择性，能够在器件内循环伏安法过程中揭示电化学界面信息。结果不仅与铂电化学领域的普遍结论高度一致，还提供了对各种重要电化学反应的新见解。该研究定义了一种具有高表面灵敏度和表面特异性的原位电化学表面研究的纳米电子策略。

铂纳米线在氢燃料电池中的作用

铂纳米线在氢燃料电池中扮演着至关重要的角色。研究发现，双掺杂剂在稳定铂镍（PtNi）纳米线催化剂中的不同作用，以提高燃料电池的耐久性。具体而言，由于镍-钼（Ni-Mo）和铂-金（Pt-Au）原子轨道之间的强相互作用，Mo掺杂剂主要抑制镍原子的外扩散，而Au掺杂剂则有助于稳定表面铂覆盖层。基于这种原子级理解，研究人员合理地构建了PtNiMoAu纳米线，通过将Mo和Au的不同功能整合到一个实体中。结果表明，这种催化剂在燃料电池阴极中表现出显著的活性和耐久性，甚至超过了美国能源部2025年的技术目标。研究通过结合实验表征和密度泛函理论（DFT）计算，系统地探讨了Mo和Au掺杂剂在稳定PtNi纳米线催化剂中的作用机制。实验结果和理论计算一致表明，Mo掺杂剂主要增加了Ni原子的空位形成能和扩散能，而Au掺杂剂则主要增加了Pt原子的空位形成能。通过这种双掺杂策略，PtNiMoAu纳米线催化剂在氧还原反应（ORR）中表现出前所未有的活性和稳定性，展示了其在实际燃料电池应用中的巨大潜力。

加州理工学院、加州大学洛杉矶分校和苏州大学的合作

此次研究的成功离不开加州理工学院、加州大学洛杉矶分校和中国苏州大学之间的紧密合作。Goddard博士表示，这一合作激发了他们扩展量子力学方法，以描述纳米线表面附近水合氢离子的分布。团队成员还包括前加州理工学院博士后、现任中国苏州大学教授的Tao Cheng，以及UCLA的多位学者。这样的跨国合作不仅促进了科学研究的进步，也为未来的研究提供了新的思路和方法。

结论

加州理工学院的William A. Goddard III博士及其团队因其在物理化学领域的杰出贡献，荣获2024年英国皇家化学学会（RSC）颁发的Faraday Horizon奖。这一奖项表彰了他们在理解水与铂表面的相互作用方面取得的突破，这对于氢燃料电池等清洁能源技术至关重要。由加州大学洛杉矶分校（UCLA）化学与生物化学教授Xiangfeng Duan领导的团队开发的电传输光谱（ETS）技术，使得在纳米尺度上研究电化学界面的表面化学成为可能。铂纳米线在氢燃料电池中的重要性，以及加州理工学院、加州大学洛杉矶分校和中国苏州大学之间的紧密合作，进一步推动了这一领域的研究进展。通过这些研究，我们不仅加深了对电化学反应的理解，也为未来的清洁能源技术提供了新的可能性。