作者格伦达·楚伊，美国国家加速器实验室 一幅插图结合了两种可能的催化剂表面层类型，进行水分解反应，这是制造氢燃料的第一步
灰色的表面，顶部，是氧化镧
彩色表面是氧化镍；在进行反应时对其原子进行重新排列使其效率提高了一倍，研究人员希望利用这一现象来设计更好的催化剂
镧原子用绿色表示，镍用蓝色表示，氧用红色表示
信用:立方体3D图形 科学家们精心制作了一种用于制造氢燃料的镍基催化剂，每次制造一层原子层，以获得对其化学性质的完全控制
但是最终的材料并没有像他们预期的那样:当一个版本的催化剂开始工作时，最上面的原子层重新排列形成了一个新的图案，就好像覆盖在地板上的方形瓷砖突然变成了六边形
但是没关系，他们今天报道说，因为理解和控制这种惊人的转变给了他们一种新的方法来打开和关闭催化活性，使好的催化剂更好
由斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室的科学家领导的研究小组今天在《自然材料》杂志上描述了他们的研究
“催化剂在反应过程中变化很快，了解它们如何从非活性阶段转变为活性阶段对于设计更高效的催化剂至关重要，”SLAC斯坦福材料与能源科学研究所的研究员威尔·丘领导了这项研究
“这种转变给了我们一个旋钮，我们可以转动它来微调它们的行为
" 分解水制造氢燃料 催化剂有助于分子反应，而不会在反应中被消耗，因此它们可以反复使用
它们是许多绿色能源设备的支柱
这种特殊的催化剂，镧镍氧化物或LNO，用于在电驱动的反应中将水分解成氢和氧
这是生产氢燃料的第一步，氢燃料具有巨大的潜力，可以将来自阳光和其他来源的可再生能源以富含能量且易于运输的液态形式储存起来
事实上，几家制造商已经生产了氢燃料电池驱动的电动汽车
但是这第一步也是最困难的一步，SLAC顺驰界面科学和催化中心的理论学家米歇尔·巴奇说，研究人员一直在寻找更有效的廉价材料
由于反应发生在催化剂的表面，研究人员一直试图精确设计这些表面，使它们高效地只促进一种特定的化学反应
一项新的研究表明，调整催化剂的表层可以使其工作得更好
这种特殊的催化剂用于分解水，这是制造氢燃料的第一步
它由富含镍(蓝色球体)和镧(绿色球体)的交替层材料组成；红色球体代表氧原子)
当材料在相对较冷的温度下生长时，富镍层在顶部(左)，表面层上的原子在水分解反应过程中重新排列(中间)，使它们能够更有效地进行反应(右)
这一令人惊讶的结果为科学家提供了一种调节催化活性和设计更好催化剂的新方法
信用:托马斯·杜森/福松赞特勒姆·朱里奇 建筑材料一次一个原子层 本研究中研究的LNO属于一类被称为钙钛矿的有前途的催化材料，以一种具有相似原子结构的天然矿物命名
克里斯托夫·巴乌默尔以玛丽·居里研究员的身份从德国亚琛大学来到SLAC进行这项研究，他为LNO准备了一种被称为外延薄膜的材料——一种以原子薄层的方式生长的薄膜，这种方式可以产生非常精确的原子排列
在加利福尼亚和德国之间的这段时间里，贝尤默在不同的温度下制作了两个版本的薄膜——一个是富镍表面，另一个是富镧表面
然后，研究小组通过水分解反应对所有版本进行分析，比较它们的表现
“我们惊讶地发现，表面富镍的薄膜反应速度快了一倍，”贝尤默说
调整催化剂表面以获得更好的性能 为了找出原因，研究小组把这些胶片带到了美国能源部的劳伦斯·伯克利国家实验室，在那里，由斯拉沃米尔·内姆萨克领导的一个小组用先进光源的x光观察了它们的原子结构
“令人惊讶的是，‘好的’和‘坏的’催化剂之间的区别只存在于电影的最后一层原子层，”内萨克说
这些研究还揭示了在较低温度下制备的具有富镍表面层的薄膜中，顶层原子在水分解反应的某个时刻发生了转变，这种新的排列方式提高了催化活性
与此同时，加州理工学院的博士后研究员和理论家李江利用伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心对这个非常复杂的系统进行了计算研究
他的结论与实验结果一致，预测具有转变表面的催化剂版本——从立方体图案到六边形图案——将是最活跃和稳定的
巴哈迪说，“富镍表面的转变是由催化剂的制备方式驱动的，还是由它在进行水分解反应时所经历的变化驱动的？这很难回答
看起来两者都必须发生
" 他说，虽然这种特殊的催化剂不是世界上最好的将水分解成氢和氧的催化剂，但发现表面转化如何提高其活性是很重要的，也有可能应用于其他材料
“如果我们能解开这种转变的秘密，这样我们就能准确地调整它，”他说，“那么我们就能利用这种现象在未来制造更好的催化剂。”
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