克里斯蒂娜·努内斯，阿尔贡国家实验室 钙钛矿氧化物、其变化的表面层和对OER有活性的铁物种之间的独特相互作用为活性和稳定材料的设计铺平了新的道路，使我们更接近高效和负担得起的绿色氢生产
学分:阿尔贡国家实验室 氢燃料推动的清洁能源未来取决于找出如何可靠有效地分解水
这是因为，尽管氢含量丰富，但它必须来自另一种含有氢的物质——而今天，这种物质通常是甲烷气体
科学家们正在寻找不使用化石燃料就能分离这种携带能量的元素的方法
例如，这将为氢燃料汽车铺平道路，这种汽车的排气管只排放水和热空气
水，或称H2O，将氢和氧结合在一起
氢分子形式的氢原子必须从这种化合物中分离出来
这个过程依赖于一个关键的——但通常是缓慢的——步骤:析氧反应(OER)
OER是从水中释放分子氧的物质，控制这一反应不仅对制氢很重要，对各种化学过程也很重要，包括电池中的化学过程
由美国大学科学家领导的一项研究
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能源部阿贡国家实验室阐明了钙钛矿氧化物的变形特性，钙钛矿氧化物是一种有希望加速OER进程的材料
钙钛矿氧化物包含一系列具有相似晶体结构的化合物
它们通常在α位含有碱土金属或镧系元素如镧和锶，在β位含有过渡金属如钴，在分子式ABO3中与氧结合
这项研究提供了洞察力，不仅可以用来设计制造可再生燃料的新材料，还可以用来储存能量
钙钛矿氧化物可以带来OER效应，而且比铱或钌等贵金属便宜
但是钙钛矿氧化物不像这些金属那样有活性(换句话说，在加速OER效应方面是有效的)，而且它们往往会缓慢降解
领导这项研究的阿贡材料科学部门的助理科学家皮埃特罗·帕帕·洛佩斯说:“了解这些材料是如何活跃和稳定的是我们的一大推动力。”
“我们想探索这两种性质之间的关系，以及它们与钙钛矿本身性质之间的联系
" 先前的研究集中在钙钛矿材料的整体性质以及它们与OER活性的关系
然而，研究人员想知道这个故事是否有更多的内容
毕竟，一种材料的表面，它与周围环境发生反应的地方，可能与其他部分完全不同
像这样的例子在自然界中随处可见:想象一下一个切成两半的鳄梨，它在接触空气的地方迅速变成褐色，但在里面却保持绿色
对于钙钛矿材料来说，表面变得与主体不同可能会对我们理解它们的性质产生重要影响
在将水分解为氢和氧的水电解系统中，钙钛矿氧化物与由水和特殊盐类组成的电解质相互作用，形成一个界面，使设备能够运行
当施加电流时，该界面对于启动水分裂过程至关重要
洛佩斯说:“物质的表面是氧气释放反应进行的最重要的方面:你需要多大的电压，你将产生多少氧气和氢气。”
在电化学循环期间，镧钴氧化物钙钛矿的表面演变通过α位溶解和氧晶格演变发生，形成对氧演变有活性的非晶膜
学分:阿尔贡国家实验室 钙钛矿氧化物的表面不仅不同于其他材料，而且会随着时间的推移而变化
洛佩斯说:“一旦进入电化学系统，钙钛矿表面就会演变成一层薄的无定形薄膜。”
“它永远不会和你一开始用的材料真的一样
" 研究人员将理论计算和实验结合起来，以确定钙钛矿材料的表面在OER期间是如何演变的
为了精确地做到这一点，他们研究了镧钴氧化物钙钛矿，并通过用锶“掺杂”镧来调整它，锶是一种更具反应性的金属
初始材料中加入的锶越多，其表面演变得越快，对OER变得越活跃——研究人员能够用透射电子显微镜以原子分辨率观察到这一过程
研究人员发现，锶的溶解和钙钛矿的氧损失推动了这种非晶表面层的形成，这可以通过美国能源部科学办公室用户设施纳米材料中心进行的计算建模得到进一步解释
洛佩斯说:“要理解为什么钙钛矿向OER移动，最后一个缺失的部分是探索电解质中存在的少量铁的作用。”
同一组研究人员最近发现，微量铁可以改善其他无定形氧化物表面的OER
一旦他们确定钙钛矿表面演变成无定形的氧化物，那么铁为什么如此重要就变得很清楚了
“计算研究有助于科学家理解涉及钙钛矿表面和电解质的反应机制，”阿尔贡的物理学家、该研究的合著者彼得·扎波尔说
“我们专注于驱动钙钛矿材料活性和稳定性趋势的反应机制
这在计算研究中并不常见，计算研究倾向于只关注导致活动的反应机制
" 研究发现，钙钛矿氧化物的表面演变成一层只有几纳米厚的富钴非晶薄膜
当铁存在于电解质中时，铁有助于加速OER，而富钴膜对铁有稳定作用，使其在表面保持活性
这些结果为钙钛矿材料的设计提出了新的潜在策略——人们可以想象创造一个双层系统，洛佩斯说，这个系统更加稳定，能够促进OER效应
“OER是许多过程的一部分，所以这里的适用性相当广泛，”洛佩斯说
“了解材料的动态及其对表面过程的影响是我们如何使能量转换和储存系统更好、更高效、更经济
" 这项研究在一篇发表在美国化学学会杂志封面上的论文中有所描述，“氧释放过程中钙钛矿材料表面演变的动态稳定活性位点”
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