北京
研究團隊實時觀察了單個原子的移動與重組。
英國研究人員發現，原子能夠在同一實驗中混合、分離并重組，由此找到了一種加速綠色氫氣生產的方法。
這一發現促成了用于電化學水分解的破紀錄催化劑的誕生。電化學水分解正是從水中制氫的過程。據報道，該催化劑是迄今報道的最高效的制氫催化劑之一。
在諾丁漢大學化學學院 Jesum Alves Fernandes 教授（博士）的帶領下，研究團隊制備了包含幾十個鉑原子和鎳原子的納米級顆粒，并在實空間內實時記錄下異常的原子變化。
隨著兩種金屬彼此分離，它們仍保持著原子級清晰定義的界面。團隊觀察到，這種結構對電化學水分解具有極高活性，可高效產生氫氣。
一條全新的制氫路線
該項目匯聚了諾丁漢大學、伯明翰大學、鉆石光源以及德國烏爾姆大學的研究人員。Fernandes 指出：“這一發現令人興奮之處在于，我們可以在原子尺度直接觀察整個過程的同時，可逆地調控顆粒的結構?！?/p>
為形成納米顆粒，團隊借助了先進的電子顯微技術。起初，鉑原子和鎳原子均勻混合，形成常規合金。然而在幾秒鐘內，兩種金屬便開始分離，同時仍保持著共有的原子界面。這一觀察結果與混合材料通常會保持混合狀態的常規傾向相悖，表明納米顆粒在特定條件下可發生動態重組。
領導諾丁漢大學實驗工作的 Emerson Kohlrausch 博士表示：“這是一個驚人的觀察結果，因為它似乎違背了傳統的熱力學行為?！?/p>
這種分離過程發生在顯微實驗中的原子與高能電子束相互作用之時。電子束將能量傳遞給原子，使其移動并在顆粒內部占據新的位置。
烏爾姆大學 Ute Kaiser 教授（博士）強調：“創造能夠追蹤每一個原子位置的條件至關重要。為此，我們使用了盡可能薄的材料——石墨烯片來承載納米顆粒，并精確控制了電子束的能量和通量?！?/p>
制氫突破
當鎳從鉑中分離出來后，便與周圍的氧氣反應，生成氧化鎳（NiO）。該校納米材料教授 Andrei Khlobystov 博士補充說：“這樣形成的納米顆粒由兩半組成——金屬鉑和氧化鎳，二者之間被一個原子級清晰定義的界面隔開?！?/p>
研究人員指出，這一界面正是該材料擁有卓越催化性能的關鍵。他們發現，類似的分離過程在電化學水分解過程中會自然發生。鉑和氧化鎳在反應中各司其職，二者緊密的原子級接觸使它們能夠更高效地協同工作。
與此同時，最終得到的催化劑產氫速率已躋身已報道的最有效電化學水分解材料之列。Fernandes 在一份新聞稿中說：“這為設計面向廣泛應用的自適應催化劑開辟了一條新策略?！?/p>
這一過程還是可逆的。通過改變實驗條件，已分離的材料可以重新結合成合金，然后再次發生多次分離。這使團隊將這類顆粒比作生命系統。Kohlrausch 總結道：“這啟發了我們利用其動態特性來驅動催化?！?/p>
除制氫外，這項新發現還可能影響催化劑的設計，從而推動高效能量轉換、化工制造和可持續工業應用。
該研究已發表在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上。
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