蓋世汽車訊 水分解制氫是常見的制氫方法，其中的一個關鍵步驟是析氧反應(OER)。OER可將分子氧從水中釋放出來，這一過程通常較為緩慢，不僅對生產氫氣很重要，對其他很多化學過程也具有重要意義。

（圖片來源：阿貢實驗室）

據外媒報道，由美國能源部阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的科學家領導的一項研究表明，鈣鈦礦氧化物能夠發生形態演變，有望加速OER。鈣鈦礦氧化物中含有一系列具有相似晶體結構的化合物，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等過渡金屬，與氧相結合。這項研究有助于設計新材料，這些材料可用于制造可再生燃料，也可用于儲能。

鈣鈦礦氧化物可以促進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，加速OER反應的效率)，而且往往會緩慢地發生降解。研究負責人Pietro Papa Lope表示：“了解如何使這些材料保持活躍和穩定，是我們的主要動力之一。我們想探索這兩種特性之間的關系，及其與鈣鈦礦本體性質之間的聯系。”

以往重點研究的是鈣鈦礦材料的整體性質，及其與OER活性之間的關系。現在，研究人員想要進一步探索材料的表面性質，即它與周圍環境發生反應的地方，可能與其他部分完全不同。想象一下，一個被切成兩半的鱷梨，與空氣接觸的地方很快就會變色，但里面仍然好好的。對于了解鈣鈦礦材料的性質，這可能產生重要影響。

在將水分解為氫和氧的水電解槽系統中，鈣鈦礦氧化物與由水和特殊鹽類構成的電解質相互作用，形成支持設備運行的界面。當施加電流時，該界面對于激發水分解過程起著關鍵作用。Lopes表示：“材料表面是影響析氧反應的最關鍵因素，比如需要多少電壓，以及將產生多少氧氣和氫氣。”

在電化學循環過程中，氧化鑭鈷鈣鈦礦的表面演化是通過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定形薄膜。

鈣鈦礦氧化物的表面與其他材料不同，還會隨著時間的推移發生變化。研究人員表示，一旦進入電化學系統，鈣鈦礦表面就會演變成一層薄薄的無定形薄膜，與初始材料有所不同。

研究人員將理論計算和實驗相結合，以確定在OER過程中鈣鈦礦材料表面是如何演變的。為了得到精確的結果，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，對其進行調整。在初始材料中添加的鍶越多，表面演化越快，對OER的活性更強。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程。研究人員發現，鈣鈦礦中的鍶溶解和氧損失，促進無定形表面層形成。

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中起到的作用。研究人員發現，痕量鐵可以促進其他無定形氧化物表面的OER。明確了鈣鈦礦表面會演變成無定形氧化物，就可以明白為什么鐵如此重要。

研究人員Peter Zapol表示：“科學家借助于計算研究，了解鈣鈦礦表面和電解質的有關反應機制。我們重點研究了主導鈣鈦礦材料活性和穩定性趨勢的反應機理。這與以往的計算研究不同，以前通常只關注主導活性的反應機制。

研究發現，鈣鈦礦氧化物的表面演變成僅幾納米厚的富鈷無定形薄膜。當電解質中含有鐵時，有助于加速OER，而富鈷膜對鐵具有穩定作用，能使其在表面保持活躍。

這為設計鈣鈦礦材料提供了新途徑，比如開發更加穩定、更能促進OER的雙層系統。

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