科学家们在原子尺度上发现了电化学界面的动力学

在能源生产中寻找化石燃料的可行替代品的努力最近经历了一场革命，因为科学家正在寻找不需要贵金属产生活性和稳定反应的材料..

其中许多反应的核心是析氧反应(OER)，这是电解槽中分解水以产生能为燃料电池供电的氢的重要电化学部分。

美国能源部Argonne国家实验室的科学家利用高精度材料科学和电化学的结合，提供了重要的洞察机制，驱动稳定和活动的材料在OER。 这一洞察力将指导电化学燃料生产材料的实际设计。

Argonne杰出研究员Nenad Markovic说：“我们的解释消除了杂质在原子尺度和宏观尺度上对材料稳定性的影响。”

科学家们研究了一种被称为氢氧化物的电解槽材料，发现虽然电解槽的行为可以完全稳定，但在原子尺度上，系统是非常动态的。 电极中的铁原子反复脱落并重新附着在界面上，或发生重要产氧反应的表面。 这种溶解和再沉积之间的仔细平衡允许材料的整体稳定性。

该研究的第一作者、Argonne博士后科学家Dongyoung Jung说：“传统上，科学家测量电解槽能产生氧气的时间，他们用它来确定稳定性。 “我们将材料在宏观尺度上的整体稳定性与材料在原子尺度上的稳定性脱钩，这将有助于我们理解和开发新材料。”

科学家们开发了超灵敏的电化学测量工具，以监测在OER和测试系统中的铁活性与不同水平的杂质，看看哪些变量影响材料的整体稳定性。 铁在界面上的行为是材料在OER过程中能产生氧气的程度的原因。

该研究的助理科学家Pietro Lopes说：“通过测量极高灵敏度的电极和电解质中的铁含量，我们发现了意想不到的差异，表明了铁在系统中的动态稳定性。”

材料中的动态稳定性-以宏观层面的稳定行为为特征，尽管在原子层面上很高的活性-对电解槽并不一定是坏事。 科学家们希望利用他们对这一现象的新理解，创造出性能更好的材料。

洛佩斯说：“一旦我们确定了铁的作用及其运动如何影响析氧过程，我们就可以对材料进行改性，以利用动态稳定性，确保铁始终存在于界面上，从而促进氧气的产生。”

Argonne材料科学部门能源转换和储存小组组长Vojislav Stamenkovic说：“我们正在解决这一领域的一个重大误解。 “虚拟稳定性和真实稳定性解耦的深刻含义将扩展生成活动和稳定接口的设计规则。”

这项研究的相应论文发表在3月16日的《自然能量》上，题目是“氢氧化物活性中心在析氧反应中的动态稳定性”。