氧化銥作為清潔能源技術(shù)中的關(guān)鍵催化劑，其稀缺性與運(yùn)行中的損耗問題一直是行業(yè)瓶頸。近期，美國杜克大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)取得突破，首次在原子尺度實(shí)時(shí)觀測到了氧化銥納米晶體在電解過程中的溶解與重構(gòu)機(jī)制，為設(shè)計(jì)更耐用、更高效的催化劑提供了關(guān)鍵見解。該研究已發(fā)表于《美國化學(xué)會雜志》。
在利用風(fēng)能或太陽能等可再生能源驅(qū)動電解水制氫的過程中，氧化銥是目前最可靠的催化劑材料。然而，銥元素在地殼中極為稀有，且催化劑在強(qiáng)酸、高電壓的電解槽運(yùn)行環(huán)境下會逐漸降解，限制了清潔能源技術(shù)的規(guī)模化發(fā)展。
“當(dāng)我們將這些方法與太陽能或風(fēng)能配對時(shí)，我們有可能完全擺脫化石燃料，但地球上的銥不足以滿足當(dāng)今的能源使用水平，”論文的資深作者、杜克大學(xué)化學(xué)助理教授伊萬·A·莫雷諾-埃爾南德斯表示，“我們非常希望設(shè)計(jì)出能更有效利用銥，或者最終完全擺脫銥的材料�！�
此前，科學(xué)家對催化劑降解的了解多來自間接測量。本研究采用了不同的方法：實(shí)時(shí)觀察過程。通過先進(jìn)的電子顯微鏡、計(jì)算機(jī)模擬和設(shè)備級測試，研究人員追蹤了晶體表面在溶解過程中原子尺度的形態(tài)變化。
觀察結(jié)果挑戰(zhàn)了催化劑降解是簡單均勻過程的觀念�！澳軌蛟谠映叨葘�(shí)時(shí)觀察這些材料的分解過程，是一個(gè)極其令人興奮的進(jìn)展，”論文第一作者、杜克大學(xué)研究生S·艾弗里·維吉爾說，“我們正在深入了解催化劑在運(yùn)行期間的行為�！�
研究發(fā)現(xiàn)，氧化銥納米晶體的溶解并非均勻進(jìn)行，而是發(fā)生了顯著的表面形變。起初平坦穩(wěn)定的原子面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡A梯狀、不規(guī)則且易缺陷的表面。更突出的是，同一顆粒的不同晶面可同時(shí)經(jīng)歷不同的溶解機(jī)制。
為理解為何某些表面更易溶解，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了超過五萬小時(shí)計(jì)算時(shí)間的理論建模。模擬表明，在電解水的工作條件下，能量最穩(wěn)定的表面正是那些在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的、具有更多臺階和扭折的晶面。另一類模擬則揭示了銥原子從氧化銥納米晶體的特定晶面更易被移除，這解釋了溶解為何常在顆粒特定區(qū)域引發(fā)并加速。
最后，為確認(rèn)納米尺度觀察與實(shí)際設(shè)備的關(guān)聯(lián)，團(tuán)隊(duì)檢測了一臺在工業(yè)相關(guān)電流密度下運(yùn)行100小時(shí)的水電解槽中回收的氧化銥催化劑。事后分析揭示了與顯微鏡下一致的趨勢：粗糙的高指數(shù)晶面增加，而光滑的低指數(shù)表面減少。這些形態(tài)變化伴隨著維持相同電流所需電壓的升高，從而將原子尺度的重構(gòu)與可測量的性能衰減聯(lián)系了起來。
“現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了氧化銥表面在降解時(shí)如何重構(gòu)和溶解，我們可以開發(fā)方法來最小化這些集體溶解機(jī)制，并最終設(shè)計(jì)出更耐用的催化劑，” 莫雷諾-埃爾南德斯說。
這項(xiàng)研究的影響更為廣泛。“這項(xiàng)研究令人興奮的不只是一點(diǎn)，”他表示，“它是所有方面的融合。是顯微技術(shù)的進(jìn)步，是計(jì)算資源的進(jìn)步，是我們用來構(gòu)建這一框架的一系列工具的進(jìn)步�！�
此項(xiàng)工作通過多技術(shù)融合，為從原子層面理解并最終解決清潔能源關(guān)鍵材料的耐久性問題奠定了新基礎(chǔ)。
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