在能源生產中尋找化石燃料的可行替代品的努力最近經歷了一場革命，因為科學家正在尋找不需要貴金屬產生活性和穩(wěn)定反應的材料..

其中許多反應的核心是析氧反應(OER)，這是電解槽中分解水以產生能為燃料電池供電的氫的重要電化學部分。

美國能源部Argonne國家實驗室的科學家利用高精度材料科學和電化學的結合，提供了重要的洞察機制，驅動穩(wěn)定和活動的材料在OER。 這一洞察力將指導電化學燃料生產材料的實際設計。

Argonne杰出研究員Nenad Markovic說：“我們的解釋消除了雜質在原子尺度和宏觀尺度上對材料穩(wěn)定性的影響。”

科學家們研究了一種被稱為氫氧化物的電解槽材料，發(fā)現(xiàn)雖然電解槽的行為可以完全穩(wěn)定，但在原子尺度上，系統(tǒng)是非常動態(tài)的。 電極中的鐵原子反復脫落并重新附著在界面上，或發(fā)生重要產氧反應的表面。 這種溶解和再沉積之間的仔細平衡允許材料的整體穩(wěn)定性。

該研究的第一作者、Argonne博士后科學家Dongyoung Jung說：“傳統(tǒng)上，科學家測量電解槽能產生氧氣的時間，他們用它來確定穩(wěn)定性。 “我們將材料在宏觀尺度上的整體穩(wěn)定性與材料在原子尺度上的穩(wěn)定性脫鉤，這將有助于我們理解和開發(fā)新材料?！?/p>

科學家們開發(fā)了超靈敏的電化學測量工具，以監(jiān)測在OER和測試系統(tǒng)中的鐵活性與不同水平的雜質，看看哪些變量影響材料的整體穩(wěn)定性。 鐵在界面上的行為是材料在OER過程中能產生氧氣的程度的原因。

該研究的助理科學家Pietro Lopes說：“通過測量極高靈敏度的電極和電解質中的鐵含量，我們發(fā)現(xiàn)了意想不到的差異，表明了鐵在系統(tǒng)中的動態(tài)穩(wěn)定性?！?/p>

材料中的動態(tài)穩(wěn)定性-以宏觀層面的穩(wěn)定行為為特征，盡管在原子層面上很高的活性-對電解槽并不一定是壞事。 科學家們希望利用他們對這一現(xiàn)象的新理解，創(chuàng)造出性能更好的材料。

洛佩斯說：“一旦我們確定了鐵的作用及其運動如何影響析氧過程，我們就可以對材料進行改性，以利用動態(tài)穩(wěn)定性，確保鐵始終存在于界面上，從而促進氧氣的產生?！?/p>

Argonne材料科學部門能源轉換和儲存小組組長Vojislav Stamenkovic說：“我們正在解決這一領域的一個重大誤解。 “虛擬穩(wěn)定性和真實穩(wěn)定性解耦的深刻含義將擴展生成活動和穩(wěn)定接口的設計規(guī)則。”

這項研究的相應論文發(fā)表在3月16日的《自然能量》上，題目是“氫氧化物活性中心在析氧反應中的動態(tài)穩(wěn)定性”。