一种前景广阔的能量转换催化剂结构揭晓

氢燃料是一种前景广阔的清洁能源，它可以由水裂解成氢气和氧气而制得。这个反应很难发生，但在催化剂的作用下，可以加速该过程。然而，目前的水裂解催化剂效率较低，不具有商业竞争力。最近，科学家发现这样一种催化剂——铁掺杂的氧化镍，它作为一种高活性化合物可以加快该反应，但它的活性来源尚不明确。

这个图像是β-NiOOH的和其可能的镶嵌结构示意图。图片来源：Selloni实验室

现在，普林斯顿大学的研究人员通过理论计算对氧化镍催化剂的活性成分β-NiOOH的结构有了新的理解。研究人员由普林斯顿大学化学教授Annabella Selloni领导，他们的研究成果于10月28日发表在物理化学快报杂志上。

“了解物质结构是对材料性能进行进一步研究的基础。如果不知道材料的结构，你就不可能知道它的性能，”Selloni表示。由于氧化镍在反应过程中不断发生变化，它的确切结构一直难以通过实验确定。

该研究小组采取了理论研究的方式，并采用了“遗传算法”来寻找该结构。遗传算法在一组参数下运行，其从进化过程汲取灵感，通过一代又一代的结构，最终找到最“适合”或最有可能的结构。

通过遗传算法寻找结果与混合密度泛函理论计算的计算技术相结合，Li和Selloni估计出了分子的电子结构，从而确定了符合现有观测结果的氧化镍结构。

这种观测结果实际上是该材料的镶嵌结构，它由微小米粒状的微观结构组成。研究人员提出这些微观结构是缓解层间应力的稳定隧道结构。另一个观察到的特征是由相同材料制成的层间距离的二倍，被称为其c轴周期性，其表示反应过程中形成的Ni(OH)2和NiO2的交替层。

在对材料结构有了更好理解后，科学家希望进一步绘制出反应中的活性变化。“我对微观机理更感兴趣，关注电子和原子在做什么，” Selloni说。