英國科學家重組原子結構 打造綠色氫氣生產破紀錄催化劑

原子「自我重組」催生高效催化劑

英國研究人員發現了一種加速綠色氫氣生產的方法——他們觀察到原子能在同一實驗過程中混合、分離並自行重組，進而創造出破紀錄的電化學水分解催化劑。這是目前報告中最有效的氫氣生產催化劑之一。

由諾丁漢大學化學學院教授 Jesum Alves Fernandes 博士領導的研究團隊，製造出含有數十個鉑（Platinum）和鎳（Nickel）原子的奈米級粒子，並在直接空間中即時記錄下異常的原子變化。

當兩種金屬彼此分離時，它們維持著一個原子級定義的界面（atomically defined interface）。研究團隊觀察到，這種結構對電化學水分解具有高度活性，能實現高效的氫氣生產。

全新氫能路徑

這項研究匯集了諾丁漢大學、伯明罕大學、鑽石光源（Diamond Light Source）以及德國烏爾姆大學的研究人員。Fernandes 指出：「這項發現令人興奮之處在於，我們可以在原子尺度上直接觀察過程的同時，可逆地調整粒子結構。」

為了形成奈米粒子，團隊使用了先進的電子顯微技術。鉑和鎳原子最初均勻混合，形成傳統合金。然而在幾秒鐘內，兩種金屬便開始分離，同時維持共同的原子邊界。

這項觀察結果與混合材料通常保持融合狀態的趨勢相矛盾，顯示奈米粒子能在特定條件下動態重組。

「這是一個驚人的觀察結果，因為它似乎違反了傳統的熱力學行為，」在諾丁漢大學主導實驗工作的研究員 Emerson Kohlrausch 博士表示。

分離過程發生在原子與顯微鏡實驗中的高能電子束交互作用時。電子束將能量傳遞給原子，使其移動並佔據粒子內的新位置。

烏爾姆大學教授 Ute Kaiser 博士強調：「創造能追蹤每個原子位置的條件非常重要。為此，我們採用了最薄的石墨烯片（graphene sheet）作為奈米粒子的支撐材料，並仔細控制電子束的能量和通量。」

氫能技術突破

當鎳從鉑中分離出來時，它與周圍的氧反應生成氧化鎳（NiO）。諾丁漢大學奈米材料教授 Andrei Khlobystov 博士補充：「這產生了由兩半組成的奈米粒子——鉑金屬和氧化鎳，兩者之間由原子級定義的界面分隔。」

研究人員表示，這個界面正是該材料展現卓越催化性能的關鍵。他們觀察到，類似的分離過程在電化學水分解期間也會自然發生。鉑和氧化鎳各自對反應貢獻不同功能，而它們緊密的原子接觸使雙方能更高效地協同運作。

所產生的催化劑展現出的氫氣生產速率，使其躋身電化學水分解領域中最有效的材料之列。Fernandes 在新聞稿中表示：「這為設計適用於廣泛應用的自適應催化劑開闢了全新策略。」

值得注意的是，這個過程是可逆的。透過改變實驗條件，分離的材料可以重新結合為合金，然後再次多次分裂。這讓研究團隊將這些粒子比擬為生命系統。Kohlrausch 總結道：「這啟發了我們將其動態特性應用於催化反應。」

除了氫氣生產之外，這項新發現還可能影響催化劑的設計方向，有望推動高效能源轉換、化學製造以及永續工業應用的發展。

這項研究已發表於《Advanced Materials》期刊。

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