研究表明调整催化剂表面的一层原子可以使其工作更好

科学家精心制作了一种用于制造氢燃料的镍基催化剂，一次将其构造成一个原子层，以完全控制其化学性质。但是最终的材料并没有达到预期的性能：当一种催化剂开始工作时，最顶层的原子层重新排列以形成新的图案，好像覆盖地板的正方形瓷砖突然变成了六边形。

他们今天报道，但这没关系，因为了解和控制这种令人惊讶的转变为他们提供了一种开启和关闭催化活性并使更好的催化剂变得更好的新方法。

由斯坦福大学和能源部的SLAC加速器实验室的科学家领导的研究小组今天在《自然材料》中描述了他们的研究。

斯坦福大学材料与能源科学研究所的研究员Will Chueh表示：“催化剂在反应过程中会迅速发生变化，了解它们如何从非活性相转变为活性相至关重要。” SLAC的(SIMES)领导了这项研究。“这种转变为我们提供了相当于旋钮的功能，我们可以旋转它来微调其行为。”

分解水制成氢燃料

催化剂帮助分子反应而不会被反应消耗，因此可以反复使用。它们是许多绿色能源设备的骨干。

这种特定的催化剂，氧化镧镍或LNO，用于在电力驱动的反应中将水分解为氢和氧。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液态形式存储，这种形式能量丰富且易于运输。实际上，一些制造商已经生产了由氢燃料电池驱动的电动汽车。

SLAC SUNCAT界面科学与催化中心的理论家Michal Bajdich说，但这第一步也是最困难的一步，研究人员一直在寻找便宜的材料来更有效地进行。

由于反应发生在催化剂的表面上，因此研究人员一直在尝试精确地设计这些表面，以便它们仅能高效促进一种特定的化学反应。

建筑材料一次一个原子层

在这项研究中研究的LNO属于一类有前途的催化材料，称为钙钛矿，以具有相似原子结构的天然矿物命名。

克里斯托弗·鲍默(Christoph Baeumer)是德国亚琛大学的玛丽·居里研究员(Marie Curie Fellow)来SLAC进行这项研究的，他准备了一种称为外延薄膜的LNO，这种薄膜以原子薄层的形式生长，从而产生了极其精确的排列原子。

鲍默将时间分配在加利福尼亚州和德国之间，在不同的温度下制作了两种版本的胶卷-一种具有富镍表面，另一种具有富镧表面。然后，研究团队通过水分解反应来运行所有版本，以比较它们的性能。

鲍默说：“我们惊讶地发现，具有富镍表面的薄膜进行该反应的速度快两倍。”

调整催化剂表面以获得更好的性能

为了找出原因，团队将影片带到了能源部的劳伦斯·伯克利实验室，在那里，由Slavomir Nemsak领导的小组在高级光源中用X射线观察了它们的原子结构。

纳姆萨克说：“令人惊讶的是，好催化剂和坏催化剂之间的区别仅在于薄膜的最后原子层。” 这些研究还表明，在较低温度下制备的具有富镍表面层的薄膜中，原子的顶层在水分解反应过程中的某个位置发生了转变，这种新的排列方式提高了催化活性。

同时，SUNCAT的博士后研究员兼理论家Jiang Li使用伯克利实验室的能源研究科学计算中心(NERSC)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相符，并预测具有表面转化的催化剂(从立方图案到六边形)将是最活跃和稳定的催化剂。

Bajdich说：“富镍表面的转变是由催化剂的制备方式引起的还是由其在进行水分解反应时所经历的变化所驱动?这很难回答。看起来两者都必须发生”。

他说，尽管这种特殊的催化剂不是世界上将水分解为氢和氧的最佳催化剂，但发现表面转化如何提高其活性很重要，并且也可能适用于其他材料。

他说：“如果我们能够揭开这种转变的秘密，以便我们能够准确地调整它，那么我们就可以利用这种现象在将来制造更好的催化剂。”

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