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制造氢的更好解决方案可能只是在表面智能制造解决方案

2022-11-28

氢燃料推动的清洁能源的未来取决于弄清楚如何可靠而有效地分解水。这是因为，即使氢很丰富，它也必须来自另一种含氢的物质，而如今，该物质氢燃料推动的清洁能源的未来取决于弄清楚如何可靠而有效地分解水。这是……

氢燃料推动的清洁能源的未来取决于弄清楚如何可靠而有效地分解水。这是因为，即使氢很丰富，它也必须来自另一种含氢的物质，而如今，该物质

通常是甲烷气。科学家们正在寻找不使用化石燃料来隔离这种载有能量的元素的方法。例如，这将为氢燃料汽车铺平道路，氢燃料汽车在排气管处仅排放水和温暖的空气。

水或H2O将氢和氧结合在一起。必须从该化合物中分离出分子氢形式的氢原子。该过程取决于一个关键步骤(但通常很慢)：氧气释放反应(OER)。OER是从水中释放出分子氧的东西，控制该反应不仅对产氢很重要，而且对包括电池中发现的化学过程在内的各种化学过程也很重要。

由能源部(DOE)阿尔贡国家实验室的科学家领导的一项研究阐明了钙钛矿氧化物的形变质量，钙钛矿氧化物是一种有希望的用于加速OER的材料。钙钛矿氧化物包括所有具有相似晶体结构的化合物。它们通常在A位含有碱土金属或镧系元素(例如La和Sr)，在B位含有过渡金属(例如Co)，在式ABO3中与氧结合。该研究提供了可用于设计新材料的见解，这些材料不仅可用于制造可再生燃料，而且还可以存储能量。

钙钛矿氧化物可以带来OER，并且它们比铱或钌等贵金属也能便宜。但是钙钛矿氧化物的活性不如这些金属(也就是说，在加速OER时有效)，并且它们倾向于缓慢降解。

负责这项研究的阿贡大学材料科学系助理科学家彼得罗·帕帕·洛佩斯(Pietro Papa Lopes)说：“了解这些材料如何具有活性和稳定性对我们来说是一个很大的推动力。” “我们想探索这两种性质之间的关系，以及它们如何与钙钛矿本身的性质联系起来。”

先前的研究集中在钙钛矿材料的整体性质以及它们与OER活性之间的关系。研究人员想知道，这个故事是否还有其他内容。毕竟，与周围环境发生反应的材料表面可能与其余部分完全不同。自然界中到处都有这样的例子：想一想对分的鳄梨，在与空气接触的地方迅速变褐，而内部却保持绿色。对于钙钛矿材料，表面变得不同于块体可能会对我们如何理解其性能产生重要影响。

在将水分解成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，形成使设备运行的界面。当施加电流时，该界面对于启动水分解过程至关重要。洛佩斯说：“材料的表面是如何进行放氧反应的最重要方面：需要多少电压，以及将要产生多少氧气和氢气。”

在电化学循环过程中，镧钴氧化物钙钛矿的表面演变是通过A位溶解和氧晶格演变而发生的，从而形成了一个对氧释放具有活性的非晶膜。信用：阿贡国家实验室

钙钛矿氧化物的表面不仅与材料的其余部分不同，而且还会随时间变化。洛佩斯说：“一旦进入电化学系统，钙钛矿表面就会演化并变成薄的无定形膜。” “它与开始时的材料从来就不完全相同。”

研究人员结合了理论计算和实验来确定钙钛矿材料表面在OER过程中如何演化。为了精确地做到这一点，他们研究了镧钴酸钙钙钛矿，并通过将镧“掺杂”一种更具活性的金属来对其进行调谐。锶被添加到初始材料中的数量越多，其表面形成的速度就越快，并且对OER具有活性-研究人员能够通过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中的氧损失正在推动这种无定形表面层的形成，这可以通过使用DOE科学用户设施办公室纳米级材料中心进行的计算建模来进一步解释。

洛佩斯说：“了解钙钛矿为何对OER具有活性的最后一个遗漏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，痕量的铁可以改善其他无定形氧化物表面上的OER。一旦他们确定钙钛矿表面会演变成无定形氧化物，那么就清楚了铁为何如此重要的原因。

Argonne的物理学家彼得·扎波尔(Peter Zapol)说：“计算研究可帮助科学家了解涉及钙钛矿表面和电解质的反应机理。” “我们专注于驱动钙钛矿材料同时具有活性和稳定性趋势的反应机理。这在计算研究中通常不会这样做，而计算研究往往只关注于负责该活性的反应机理。”

研究发现钙钛矿氧化物的表面演变成仅几纳米厚的富钴非晶膜。当电解质中存在铁时，铁有助于加速OER，而富钴膜对铁具有稳定作用，使其在表面保持活性。

结果表明，设计钙钛矿材料的新潜在策略-人们可以想象创建一个两层系统，该系统更加稳定并且能够促进OER。

Lopes说：“ OER是许多过程的一部分，因此在这里的适用性非常广泛。” “了解材料的动力学及其对表面过程的影响是我们如何使能量转换和存储系统更好，更有效和更实惠的方式。”

这项研究在一篇发表的论文中进行了描述，并在《化学学会杂志》的封面上作了重点介绍：“在氧气析出过程中钙钛矿材料表面演化产生的动态稳定的活性位点”。

一种更好的解决方案可能是利用太阳能来制造氢。太阳能可以用来电解水，将水分解成氢和氧，这样就可以制造出氢气。这种方法可以有效地利用太阳能，而且不会产生任何污染物，因此是一种更加可持续的氢制造方法。