化学专业研究生杨志杰在阿贡国家实验室的先进光子源上运行同步加速器测量计算机。这张照片是在新冠肺炎疫情之前拍摄的。来源:弗吉尼亚理工大学

基于可再生和可持续能源的未来经济可能利用电池驱动的汽车、大规模太阳能和风力发电场，以及储存在电池和化学燃料中的能源储备。尽管已经有使用可持续能源的例子，科学和工程的突破将决定广泛采用的时间表。

用化石燃料替代燃料的一个例子是氢经济，氢为社会的电力需求提供动力。为了大量生产氢气，一些科学家正在研究分解水的过程，这将产生氢气和可呼吸的氧气。

弗吉尼亚理工大学化学助理教授冯霖专注于能量储存和转换。这项工作是发表在《自然催化》杂志上的一项新研究的一部分，该研究解决了电化学水分解过程中的一个关键基本障碍。林实验室展示了一项新技术，可以重新组装、活化和再利用用于水分解的节能催化剂。林的前研究生是这项研究的第一作者，也是化学研究生徐正瑞、胡安洋和杨志杰的合著者。

这项研究的核心思想可以追溯到普通化学课上的一个话题:催化剂。这些物质可以提高反应速度，而不会在化学过程中被消耗。催化剂提高反应速率的一种方法是降低启动反应所需的能量。

水可能只是一个由三个原子组成的分子，看似很基本，但分解它的过程却很艰难。但是林的实验室已经这样做了。即使从稳定的原子中移动一个电子也可能消耗大量能量，但这种反应需要转移四个电子来氧化氧气以产生氧气。

林说:“在电化学电池中，四电子转移过程会使反应相当缓慢，我们需要有更高的电化学水平才能实现。”“由于分解水需要更高的能量，长期效率和催化剂稳定性成为关键挑战。”

为了满足高能量的要求，林实验室引入了一种叫做混合氢氧化镍铁的通用催化剂来降低阈值。与MNF的水分解反应非常有效，但由于MNF的高反应性，其使用寿命短，催化性能将迅速下降。

林和他的团队发现了一种新技术，这种技术可以周期性地重新组装成的原始状态，这样水的分裂过程就可以继续下去。它也可以工作。)

MNF在能源研究方面有着悠久的历史。当托马斯·爱迪生修理了一个多世纪的电池时，他也使用了氢氧化镍基电池中相同的镍和铁元素。爱迪生在他的氢氧化镍实验中观察到了氧的形成，这对电池不好，但在分解水的情况下，氧的产生是目标。

“科学家早就认识到，在氢氧化镍晶格中加入铁是提高水分解反应活性的关键。”艾说。“但是，在催化条件下，由于电解液的腐蚀性极强，预先设计的MNF结构具有很高的动力学。”

在林的实验过程中，在电解质中由固体降解为金属离子，这是该过程的关键限制。然而，林的团队观察到，当电化学电池在两分钟内从高电催化电位变为低还原电位时，溶解的金属离子将重新组装成理想的MNF催化剂。这是因为催化剂和电解质之间界面的酸碱度梯度相反。

林说:“在两分钟的低电位期间，我们证明了我们不仅将镍和铁离子重新沉积到电极中，而且它们混合良好，形成了高活性的催化位点。”“这真的很令人兴奋，因为我们已经在几个纳米电化学界面中重建了原子长度尺度的催化材料。"

转化效果好的另一个原因是林实验室将新的合成为薄片，比大块材料更容易重组。

通过x光验证，

为了证实这些发现，林的团队在阿尔贡国家实验室的先进光子源和SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射源中进行了同步辐射X射线测量。这些测量使用的基本前提与一般医院的X射线相同，但规模要大得多。

蒯说:“我们想观察整个过程中发生了什么。”“我们可以利用X射线成像，从字面上看到这些金属离子的溶解和再沉积，从而提供化学反应的基本情况。”

同步加速器设施需要一个巨大的回路，类似于弗吉尼亚理工大学钻场的规模，可以高速执行X射线光谱和成像。在催化操作条件下，这为林提供了高水平的数据。这项研究还为一系列其他重要的电化学能源科学提供了见解，如氮还原、二氧化碳还原和锌空气体电池。

林说:“除了成像，大量的X射线光谱测量技术使我们能够研究各种金属离子如何聚集在一起，形成具有不同化学成分的团簇。”“这真的打开了在实际化学反应环境中检测电化学反应的大门。”