蓋世汽車訊 水分解制氫是常見(jiàn)的制氫方法，其中的一個(gè)關(guān)鍵步驟是析氧反應(yīng)(OER)。OER可將分子氧從水中釋放出來(lái)，這一過(guò)程通常較為緩慢，不僅對(duì)生產(chǎn)氫氣很重要，對(duì)其他很多化學(xué)過(guò)程也具有重要意義。

（圖片來(lái)源：阿貢實(shí)驗(yàn)室）

據(jù)外媒報(bào)道，由美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究表明，鈣鈦礦氧化物能夠發(fā)生形態(tài)演變，有望加速OER。鈣鈦礦氧化物中含有一系列具有相似晶體結(jié)構(gòu)的化合物，通常包括堿土金屬或稀土元素，如在分子式ABO3中，A位中的La和Sr，以及B位中的Co等過(guò)渡金屬，與氧相結(jié)合。這項(xiàng)研究有助于設(shè)計(jì)新材料，這些材料可用于制造可再生燃料，也可用于儲(chǔ)能。

鈣鈦礦氧化物可以促進(jìn)OER，與起到同樣作用的貴金屬(如銥或釕)相比，更具成本效益。然而，鈣鈦礦氧化物不像這些金屬那樣活躍(換句話說(shuō)，加速OER反應(yīng)的效率)，而且往往會(huì)緩慢地發(fā)生降解。研究負(fù)責(zé)人Pietro Papa Lope表示：“了解如何使這些材料保持活躍和穩(wěn)定，是我們的主要?jiǎng)恿χ?。我們想探索這兩種特性之間的關(guān)系，及其與鈣鈦礦本體性質(zhì)之間的聯(lián)系?！?/p>

以往重點(diǎn)研究的是鈣鈦礦材料的整體性質(zhì)，及其與OER活性之間的關(guān)系?，F(xiàn)在，研究人員想要進(jìn)一步探索材料的表面性質(zhì)，即它與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)的地方，可能與其他部分完全不同。想象一下，一個(gè)被切成兩半的鱷梨，與空氣接觸的地方很快就會(huì)變色，但里面仍然好好的。對(duì)于了解鈣鈦礦材料的性質(zhì)，這可能產(chǎn)生重要影響。

在將水分解為氫和氧的水電解槽系統(tǒng)中，鈣鈦礦氧化物與由水和特殊鹽類構(gòu)成的電解質(zhì)相互作用，形成支持設(shè)備運(yùn)行的界面。當(dāng)施加電流時(shí)，該界面對(duì)于激發(fā)水分解過(guò)程起著關(guān)鍵作用。Lopes表示：“材料表面是影響析氧反應(yīng)的最關(guān)鍵因素，比如需要多少電壓，以及將產(chǎn)生多少氧氣和氫氣?！?/p>

在電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中，氧化鑭鈷鈣鈦礦的表面演化是通過(guò)A位溶解和氧晶格演化形成的，形成了一種具有析氧活性的無(wú)定形薄膜。

鈣鈦礦氧化物的表面與其他材料不同，還會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化。研究人員表示，一旦進(jìn)入電化學(xué)系統(tǒng)，鈣鈦礦表面就會(huì)演變成一層薄薄的無(wú)定形薄膜，與初始材料有所不同。

研究人員將理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以確定在OER過(guò)程中鈣鈦礦材料表面是如何演變的。為了得到精確的結(jié)果，他們研究了鑭鈷氧化物鈣鈦礦，并在鑭中摻入更活躍的金屬鍶，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。在初始材料中添加的鍶越多，表面演化越快，對(duì)OER的活性更強(qiáng)。研究人員使用透射電子顯微鏡，在原子分辨率下觀察到了這一過(guò)程。研究人員發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦中的鍶溶解和氧損失，促進(jìn)無(wú)定形表面層形成。

為了解這些鈣鈦礦材料活躍的原因，最后要探討少量鐵在電解質(zhì)中起到的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，痕量鐵可以促進(jìn)其他無(wú)定形氧化物表面的OER。明確了鈣鈦礦表面會(huì)演變成無(wú)定形氧化物，就可以明白為什么鐵如此重要。

研究人員Peter Zapol表示：“科學(xué)家借助于計(jì)算研究，了解鈣鈦礦表面和電解質(zhì)的有關(guān)反應(yīng)機(jī)制。我們重點(diǎn)研究了主導(dǎo)鈣鈦礦材料活性和穩(wěn)定性趨勢(shì)的反應(yīng)機(jī)理。這與以往的計(jì)算研究不同，以前通常只關(guān)注主導(dǎo)活性的反應(yīng)機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦氧化物的表面演變成僅幾納米厚的富鈷無(wú)定形薄膜。當(dāng)電解質(zhì)中含有鐵時(shí)，有助于加速OER，而富鈷膜對(duì)鐵具有穩(wěn)定作用，能使其在表面保持活躍。

這為設(shè)計(jì)鈣鈦礦材料提供了新途徑，比如開(kāi)發(fā)更加穩(wěn)定、更能促進(jìn)OER的雙層系統(tǒng)。

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