逐个原子揭秘：关键绿色能源催化剂的溶解之谜

氧化铱是全球推动清洁能源过程中最重要但也最具挑战性的材料之一。它目前是用于通过电解将能量转化为化学物质的最可靠催化剂，这个过程利用电力将水分子分解成氧气和氢气。

但铱是地壳中最稀有的非放射性元素之一，就像金属随着时间的推移而生锈一样，氧化铱催化剂在电解器（用于电解的设备）所需的严酷酸性和高电压条件下会缓慢降解。

杜克大学和宾夕法尼亚大学的研究人员的一项新研究揭示了这一降解过程前所未有的视角，捕捉到氧化铱纳米晶体在电解过程中如何逐个原子重组和溶解。这些发现为我们理解今天最佳催化剂为何仍然失败，以及未来材料如何能更持久提供了重要的见解。该研究已在 美国化学学会杂志 上 发表。

杜克大学化学助理教授、论文的资深作者伊万·A·莫雷诺-埃尔南德斯表示：“当我们将它们与太阳能或风能结合时，我们有潜力通过这些方法完全摆脱化石燃料，但地球上没有足够的铱来满足今天的能源使用水平。我们希望设计出能更有效利用铱的材料，或者最终完全不再使用铱。”

科学家对催化剂降解的了解大多来自间接测量，追踪金属随时间的损失情况或比较颗粒的“前后”图像。在这项研究中，研究人员采取了不同的方法：他们实时观察了这一过程的展开。

通过 先进的电子显微镜、计算机模拟和设备级测试，研究人员跟踪了晶体表面在溶解过程中如何逐个原子地改变形状。

他们所看到的挑战了催化剂降解是简单均匀过程的这一观点。

杜克大学的研究生、文章的第一作者S. Avery Vigil说：“在原子尺度上实时观察这些材料的崩溃，真是一个令人兴奋的发展。我们正在了解催化剂在工作时的表现。”

氧化铱纳米晶体并没有均匀溶解，经历了明显的表面形状变化。最初平坦且相对稳定的原子平面，就像光滑的冰面，逐渐转变为阶梯状、不规则且易缺陷的表面。

更令人惊讶的是，同一颗粒的不同面可以同时经历不同的溶解机制——就像一块冰块一侧被抬起而另一侧被融化。这些不同的机制包括逐渐失去原子、通过重构整个原子层使表面变得粗糙，以及整个原子层从表面剥离的过程，称为分层。

“结果真是让人难以置信，”莫雷诺-埃尔南德斯说。“大家，包括我自己，都认为 降解是逐个原子发生的，但我们看到成千上万的原子在这种集体行为中被同时移除。这有点像积木塔游戏，你移除一个小块，它就会全部倒塌。这是非常意外的。”

为了理解为什么某些表面比其他表面更容易溶解，研究小组转向了笔、纸和数学，或者更准确地说，是非常计算密集的理论建模。在超过50,000小时的计算时间里，研究人员模拟了氧化铱颗粒在水分解中使用的高电压下如何自然重组。结果表明，在操作条件下，最稳定的表面是那些具有更多阶梯和缺口的表面——正是显微镜实验中出现的那种面。

通过使用不同类型的模拟，他们揭示了铱原子在某些铱氧化物纳米晶体的特定面上比在其他面更容易被去除。这种面依赖性行为有助于解释为什么溶解通常会在粒子的特定区域开始并加速。

莫雷诺-埃尔南德斯说：“因为我们能够缩小实验规模以观察原子结构，我们也能把理论扩展到研究这种集体行为，我们正在越来越接近能够在理论和实验之间进行直接比较的程度。这对科学家来说非常令人兴奋。”

最后，为了确认这些纳米尺度的观察与实际设备的相关性，团队检查了从一个运行了100小时、在工业相关电流密度下的水电解槽中回收的铱氧化物催化剂。

对催化剂的事后分析揭示了在显微镜下看到的相同趋势：粗糙的高指数面增加，而光滑的低指数表面相应减少。这些形态变化与维持相同电流所需的电压增加同时发生，将原子级的重构与可测量的性能退化联系起来。

“现在我们理解了铱氧化物表面在降解过程中如何重组和溶解，我们可以开发出方法来减少这些集体溶解机制的影响，最终设计出更耐用的催化剂，”莫雷诺-埃尔南德斯说。

不过，这项研究的影响要广泛得多。“这项研究令人兴奋的地方不止一件，”他说，“而是所有因素的汇聚。这是在显微镜、计算资源以及我们用来构建这个框架的各种工具上的进步。”

“如果你在我还是个孩子的时候告诉我，总有一天我们能够拍摄原子，我会觉得那是科幻小说。现在这已成为现实。”

更多详情： S. Avery Vigil 等人， 对铱氧化物纳米晶体中集体溶解机制的直接观察，美国化学会杂志（2026）。 DOI: 10.1021/jacs.5c18363