英國的研究人員已經找到一種加快綠氫生產的方法，因為他們發現原子可以在同一實驗中混合、分離以及重新組織。這一發現導致創造出一種打破紀錄的電化學水分解催化劑，該過程用於從水中產生氫氣。據報導，這是迄今為止報導的最有效的氫氣生成催化劑之一。該項目由諾丁漢大學化學系的教授 Jesum Alves Fernandes 博士領導，團隊創造了包含幾十個鉑和鎳原子的納米顆粒。他們在直接空間中以實時方式記錄了不尋常的原子變化。
隨著金屬之間的分離，它們維持了一個原子定義的界面。團隊觀察到，該結構在電化學水分解中具有高度活性，從而促進高效的氫氣生產。
這個項目聚集了諾丁漢大學、伯明翰大學、鑽石光源以及德國烏爾姆大學的研究人員。“這一發現令人興奮之處在於，我們可以在直接觀察原子尺度的過程中可逆地調整顆粒的結構，”Fernandes 指出。為了形成納米顆粒，團隊採用了先進的電子顯微鏡技術。鉑和鎳原子最初均勻混合，形成了傳統合金。然而，在幾秒鐘內，兩種金屬開始分離，同時維持著共享的原子邊界。這一觀察與混合材料通常保持混合的趨勢相矛盾。
這表明納米顆粒在特定條件下能夠動態重新組織。
研究團隊成功創造出高效的氫氣生成催化劑
電子顯微鏡的時間解析視頻顯示鉑-鎳納米團簇轉變為鉑-鎳氧化物結構。來自諾丁漢大學的實驗研究負責人 Emerson Kohlrausch 博士表示：“這是一個驚人的觀察，因為它似乎違反了傳統的熱力學行為。”分離過程發生在原子與電子顯微鏡實驗中的高能電子束相互作用時。電子束將能量轉移到原子，並使它們在顆粒內移動並佔據新位置。“創造能夠追蹤每個原子位置的條件是重要的，”烏爾姆大學的教授 Ute Kaiser 博士強調道。
“為此，我們使用了盡可能薄的材料來支持納米顆粒，即石墨烯薄片，並仔細控制電子束的能量和通量。”
當鎳與鉑分離時，它與周圍的氧氣反應生成鎳氧化物（NiO）。“這導致了由兩個部分組成的納米顆粒——鉑金屬和鎳氧化物，並以原子定義的界面分隔，”該大學的納米材料教授 Andrei Khlobystov 博士補充道。根據研究人員的説法，這一界面是材料卓越催化性能的關鍵。他們觀察到，在電化學水分解過程中，類似的分離過程自然發生。鉑和鎳氧化物各自為反應貢獻不同的功能，並且它們的緊密原子接觸使得它們能夠更高效地協同工作。
與此同時，所產生的催化劑提供的氫氣生產率使其成為電化學水分解中最有效的材料之一。
Fernandes 在新聞稿中表示：“這為設計適應性催化劑開啟了一種新的策略，適用於廣泛的應用。”該過程也是可逆的。通過改變實驗條件，分離的材料可以重新結合成合金，然後再次多次分離。這使得團隊將顆粒與生命系統進行比較。“這激發了我們利用它們的動態特性進行催化，”Kohlrausch 總結道。除了氫氣生產，這一新發現還可能影響催化劑的設計，這些催化劑可以促進高效的能量轉換、化學製造和可持續的工業應用。
這項研究已發表在《先進材料》期刊上。
