纳米级电影揭示了清洁能源未来的一个障碍

如果不加以控制，腐蚀会使汽车和管道生锈，摧毁建筑物和桥梁，侵蚀我们的纪念碑。腐蚀也会损坏设备，而这些设备可能是未来清洁能源的关键。现在，杜克大学的研究人员已经捕捉到了这一过程的极端特写

化学教授兼资深作者Ivan Moreno Hernandez说：“通过研究可再生能源设备如何以及为什么会随着时间的推移而故障，我们可能能够延长它们的寿命。”

在杜克大学的实验室里，放着一个这种设备的微型版本。它被称为电解槽，将氢气从水中分离出来，用电为反应提供动力

当电解发电来自风能或太阳能等可再生能源时，它产生的氢气被认为是一种很有前途的清洁燃料来源，因为它不需要化石燃料，而且燃烧时不会产生任何使地球变暖的二氧化碳

许多国家计划扩大所谓的“绿色氢气”的生产，以帮助遏制对化石燃料的依赖，特别是在钢铁和水泥制造等行业

但在氢成为主流之前，需要克服一些重大障碍

它看起来可能只不过是一个黑点，但这种微小的二氧化钌晶体——在腐蚀过程中显示出来——可能是未来清洁能源的关键之一：它将水转化为氢。杜克大学的研究人员正在使用纳米级成像技术，试图了解为什么这些催化剂会随着时间的推移而分解并失去活性。资料来源：艾弗里·维吉尔，杜克大学化学系。《美国化学学会杂志》（2024）。DOI:10.1021/jacs.3c13709

部分问题在于电解槽需要稀有金属催化剂才能发挥作用，而且这些催化剂容易腐蚀。手术一年后，它们与刚开始时不一样了

在4月10日发表在《美国化学学会杂志》上的一项研究中，Moreno Hernandez和他的博士生Avery Vigil使用了一种名为液相透射电子显微镜的技术来研究这些催化剂与其环境之间发生的复杂化学反应，这些反应会导致它们衰变

你可能还记得高中时，为了制造氢气，电解槽将水分解为氢和氧分子。在目前的研究中，该团队将重点放在一种名为二氧化钌的催化剂上，该催化剂可以加速反应的一半氧气，因为这是过程中的瓶颈

Vigil说：“我们基本上对这些材料进行了压力测试。”

他们用高能辐射轰击二氧化钌的纳米晶体，然后观察细胞内酸性环境造成的变化

为了拍摄这些微小物体的照片，他们使用了透射电子显微镜，通过悬浮在超薄液体袋中的纳米晶体发射电子束，以每秒10帧的速度产生化学反应的延时图像

结果是：病毒大小的晶体被氧化并溶解在周围的酸性液体中，比人的头发细一千倍以上，值得在桌面上特写

Moreno Hernandez说：“我们实际上能够以纳米级的分辨率看到这种催化剂分解的过程。”

Vigil说，在五分钟的过程中，晶体分解得足够快，“在几个小时内使真正的设备变得无用”

放大数十万倍，视频揭示了晶体3D形状中的细微缺陷，这些缺陷会产生应变区域，导致一些晶体比其他晶体分解得更快

研究人员表示，通过最大限度地减少这些缺陷，有一天可以设计出比目前使用时间长两到三倍的可再生能源设备。

“因此，电解槽可以使用六年，而不是稳定两年。这可能会对可再生技术产生巨大影响，”Moreno Hernandez说