氧化铱作为清洁能源技术中的关键催化剂，其稀缺性与运行中的损耗问题一直是行业瓶颈。近期，美国杜克大学和宾夕法尼亚大学的研究团队取得突破，首次在原子尺度实时观测到了氧化铱纳米晶体在电解过程中的溶解与重构机制，为设计更耐用、更高效的催化剂提供了关键见解。该研究已发表于《美国化学会杂志》。
在利用风能或太阳能等可再生能源驱动电解水制氢的过程中，氧化铱是目前最可靠的催化剂材料。然而，铱元素在地壳中极为稀有，且催化剂在强酸、高电压的电解槽运行环境下会逐渐降解，限制了清洁能源技术的规模化发展。
“当我们将这些方法与太阳能或风能配对时，我们有可能完全摆脱化石燃料，但地球上的铱不足以满足当今的能源使用水平，”论文的资深作者、杜克大学化学助理教授伊万・A・莫雷诺-埃尔南德斯表示，“我们非常希望设计出能更有效利用铱，或者最终完全摆脱铱的材料。”
此前，科学家对催化剂降解的了解多来自间接测量。本研究采用了不同的方法：实时观察过程。通过先进的电子显微镜、计算机模拟和设备级测试，研究人员追踪了晶体表面在溶解过程中原子尺度的形态变化。
观察结果挑战了催化剂降解是简单均匀过程的观念。“能够在原子尺度实时观察这些材料的分解过程，是一个极其令人兴奋的进展，”论文第一作者、杜克大学研究生S・艾弗里・维吉尔说，“我们正在深入了解催化剂在运行期间的行为。”
研究发现，氧化铱纳米晶体的溶解并非均匀进行，而是发生了显著的表面形变。起初平坦稳定的原子面逐渐转变为阶梯状、不规则且易缺陷的表面。更突出的是，同一颗粒的不同晶面可同时经历不同的溶解机制。
为理解为何某些表面更易溶解，研究团队进行了超过五万小时计算时间的理论建模。模拟表明，在电解水的工作条件下，能量最稳定的表面正是那些在实验中出现的、具有更多台阶和扭折的晶面。另一类模拟则揭示了铱原子从氧化铱纳米晶体的特定晶面更易被移除，这解释了溶解为何常在颗粒特定区域引发并加速。
最后，为确认纳米尺度观察与实际设备的关联，团队检测了一台在工业相关电流密度下运行100小时的水电解槽中回收的氧化铱催化剂。事后分析揭示了与显微镜下一致的趋势：粗糙的高指数晶面增加，而光滑的低指数表面减少。这些形态变化伴随着维持相同电流所需电压的升高，从而将原子尺度的重构与可测量的性能衰减联系了起来。
“现在我们已经了解了氧化铱表面在降解时如何重构和溶解，我们可以开发方法来最小化这些集体溶解机制，并最终设计出更耐用的催化剂，” 莫雷诺-埃尔南德斯说。
这项研究的影响更为广泛。“这项研究令人兴奋的不只是一点，”他表示，“它是所有方面的融合。是显微技术的进步，是计算资源的进步，是我们用来构建这一框架的一系列工具的进步。”
此项工作通过多技术融合，为从原子层面理解并最终解决清洁能源关键材料的耐久性问题奠定了新基础。
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