维也纳理工大学 卡琳娜·布鲁恩霍夫(左)，张秀坤·德沃夏克(右) 在实现二氧化碳中性经济的道路上，我们需要完善一系列技术——包括从水中电化学提取氢气、燃料电池或碳捕获
所有这些技术都有一个共同点:只有使用合适的催化剂，它们才能发挥作用
多年来，研究人员一直在研究哪些材料最适合这一目的
在维也纳大学和维也纳大学的CEST电化学和表面技术彗星中心，一种独特的研究方法组合可用于这种研究
科学家们现在可以一起展示:寻找完美的催化剂不仅仅是找到合适的材料，还包括它的方向
根据晶体切割的方向以及晶体表面呈现给外界的原子，晶体的行为会发生巨大的变化
效率还是稳定性 “在电化学的许多重要过程中，贵金属通常被用作催化剂，如氧化铱或铂颗粒，”教授说
维也纳大学应用物理研究所的马库斯·瓦廷纳
在许多情况下，这些催化剂具有特别高的效率
然而，还有其他一些要点需要考虑:催化剂的稳定性以及材料的可用性和可回收性
如果是稀有金属、短时间后溶解、发生化学变化或因其他原因而变得不可用，那么最有效的催化剂材料用处不大
由于这个原因，其他更可持续的催化剂也很受关注，例如氧化锌，尽管它们的效果更差
通过结合不同的测量方法，现在可以表明，通过研究催化剂晶体表面在原子尺度上的结构，可以显著提高这种催化剂的有效性和稳定性
这完全取决于方向 晶体可以有不同的表面:“让我们想象一个切成两半的立方体形状的晶体，”马库斯·瓦丁纳说
“我们可以直接从中间切开立方体，形成两个立方体
或者我们可以精确地对角切割，成45度角
我们在这两种情况下获得的切割面是不同的:不同的原子在切割面上彼此相距不同的距离
因此，这些表面在化学过程中的表现也可能非常不同”
氧化锌晶体不是立方体形状，而是蜂窝状的六边形——但同样的原理也适用于此:它的性质取决于表面原子的排列
“如果你选择正确的表面角度，就会在那里形成微小的三角形孔洞，直径只有几个原子，”马库斯·瓦廷纳说
氢原子可以附着在那里，发生支持水分解的化学过程，但同时稳定材料本身
研究小组现在第一次能够证明这种稳定性:“在催化剂表面，水被分解成氢和氧
在这个过程中，我们可以提取液体样本，检查它们是否含有催化剂的痕迹，”马库斯·瓦廷纳解释说
要做到这一点，液体必须首先在等离子体中被强烈加热，然后分解成单个的原子
然后我们在质谱仪中分离这些原子，并按元素对它们进行分类
如果催化剂是稳定的，我们应该很难从催化剂材料中找到任何原子
事实上，当氢产生时，我们在原子三角形结构上检测不到任何物质的分解”
这种稳定效果惊人地强——现在研究小组正致力于使氧化锌更加有效，并将这种稳定的物理原理转移到其他材料上
能源系统转型的独特研究机会 多年来，人们一直在维也纳大学研究原子表面结构
马库斯·瓦廷纳说:“在我们研究所，这些三角形结构早在几年前就被首次证明并在理论上得到解释，现在我们第一个证明了它们对电化学的重要性。”
“这是因为我们处于一个独特的位置，能够将所有必要的研究步骤结合在一个屋檐下——从样品制备到超级计算机上的模拟，从超高真空中的显微镜检查到现实环境中的实际测试
" “不同专业在一个屋檐下的合作是独一无二的，我们的巨大优势是能够成为该领域研究和教学的全球领导者，”IAP的学生卡琳娜·布鲁恩霍夫说
“在接下来的十年里，我们将根据方法的发展和对表面化学和物理的基本理解，开发稳定的、商业上可行的水分解和二氧化碳减少系统，”最近发表的这项研究的第一作者张秀坤·德沃斯查克说
马库斯·瓦蒂纳指出:“然而，目前的电力输出至少要实现可持续的翻番。”
“因此，我们正走在一条激动人心的道路上，在这条道路上，我们只能通过一致的、跨部门的研发来实现我们的气候目标
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