科學家精心制作了一種用于制造氫燃料的鎳基催化劑，一次將其構(gòu)造成一個原子層，以完全控制其化學性質(zhì)。但是最終的材料并沒有達到預期的性能：當一種催化劑開始工作時，最頂層的原子層重新排列以形成新的圖案，好像覆蓋地板的正方形瓷磚突然變成了六邊形。

他們今天報道，但這沒關系，因為了解和控制這種令人驚訝的轉(zhuǎn)變?yōu)樗麄兲峁┝艘环N開啟和關閉催化活性并使更好的催化劑變得更好的新方法。

由斯坦福大學和能源部的SLAC加速器實驗室的科學家領導的研究小組今天在《自然材料》中描述了他們的研究。

斯坦福大學材料與能源科學研究所的研究員Will Chueh表示：“催化劑在反應過程中會迅速發(fā)生變化，了解它們?nèi)绾螐姆腔钚韵噢D(zhuǎn)變?yōu)榛钚韵嘀陵P重要。” SLAC的(SIMES)領導了這項研究。“這種轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兲峁┝讼喈斢谛o的功能，我們可以旋轉(zhuǎn)它來微調(diào)其行為。”

分解水制成氫燃料

催化劑幫助分子反應而不會被反應消耗，因此可以反復使用。它們是許多綠色能源設備的骨干。

這種特定的催化劑，氧化鑭鎳或LNO，用于在電力驅(qū)動的反應中將水分解為氫和氧。這是生產(chǎn)氫燃料的第一步，氫燃料具有巨大的潛力，可以將來自陽光和其他來源的可再生能源以液態(tài)形式存儲，這種形式能量豐富且易于運輸。實際上，一些制造商已經(jīng)生產(chǎn)了由氫燃料電池驅(qū)動的電動汽車。

SLAC SUNCAT界面科學與催化中心的理論家Michal Bajdich說，但這第一步也是最困難的一步，研究人員一直在尋找便宜的材料來更有效地進行。

由于反應發(fā)生在催化劑的表面上，因此研究人員一直在嘗試精確地設計這些表面，以便它們僅能高效促進一種特定的化學反應。

建筑材料一次一個原子層

在這項研究中研究的LNO屬于一類有前途的催化材料，稱為鈣鈦礦，以具有相似原子結(jié)構(gòu)的天然礦物命名。

克里斯托弗·鮑默(Christoph Baeumer)是德國亞琛大學的瑪麗·居里研究員(Marie Curie Fellow)來SLAC進行這項研究的，他準備了一種稱為外延薄膜的LNO，這種薄膜以原子薄層的形式生長，從而產(chǎn)生了極其精確的排列原子。

鮑默將時間分配在加利福尼亞州和德國之間，在不同的溫度下制作了兩種版本的膠卷-一種具有富鎳表面，另一種具有富鑭表面。然后，研究團隊通過水分解反應來運行所有版本，以比較它們的性能。

鮑默說：“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，具有富鎳表面的薄膜進行該反應的速度快兩倍。”

調(diào)整催化劑表面以獲得更好的性能

為了找出原因，團隊將影片帶到了能源部的勞倫斯·伯克利實驗室，在那里，由Slavomir Nemsak領導的小組在高級光源中用X射線觀察了它們的原子結(jié)構(gòu)。

納姆薩克說：“令人驚訝的是，好催化劑和壞催化劑之間的區(qū)別僅在于薄膜的最后原子層。” 這些研究還表明，在較低溫度下制備的具有富鎳表面層的薄膜中，原子的頂層在水分解反應過程中的某個位置發(fā)生了轉(zhuǎn)變，這種新的排列方式提高了催化活性。

同時，SUNCAT的博士后研究員兼理論家Jiang Li使用伯克利實驗室的能源研究科學計算中心(NERSC)對這個非常復雜的系統(tǒng)進行了計算研究。他的結(jié)論與實驗結(jié)果相符，并預測具有表面轉(zhuǎn)化的催化劑(從立方圖案到六邊形)將是最活躍和穩(wěn)定的催化劑。

Bajdich說：“富鎳表面的轉(zhuǎn)變是由催化劑的制備方式引起的還是由其在進行水分解反應時所經(jīng)歷的變化所驅(qū)動?這很難回答?？雌饋韮烧叨急仨毎l(fā)生”。

他說，盡管這種特殊的催化劑不是世界上將水分解為氫和氧的最佳催化劑，但發(fā)現(xiàn)表面轉(zhuǎn)化如何提高其活性很重要，并且也可能適用于其他材料。

他說：“如果我們能夠揭開這種轉(zhuǎn)變的秘密，以便我們能夠準確地調(diào)整它，那么我們就可以利用這種現(xiàn)象在將來制造更好的催化劑。”