来自马克斯普朗克学会弗里茨哈伯研究所界面科学系的研究人员使用原子定义模型预催化剂进行了实验，揭示了电催化水分解反应的复杂细节，旨在推进绿色氢气生产。

持续的气候变化对人类构成了严重威胁，影响到每个人的生活，需要采取措施实施更可持续的能源经济。“绿色”能源的生产是一个关键因素。然而，能源生产必须伴随着经济的储存和运输方法。“绿色”氢(H2)既可以作为储存介质，也可以作为运输工具，也可以转化为其他有用的工业产品或能源载体，如氨。它可以用“绿色”电能通过电解分解水分子来生产。在电催化电池中，阴极产生氢分子，而阳极产生氧分子(O2)。

阳极的氧气生产是一个复杂的多步骤过程，这使得设计节能阳极具有挑战性。因此，大多数水分解研究都集中在阳极而不是阴极上。在实际的电解槽中，阳极具有复杂的化学成分和形态，阻碍了对电解过程的基本理解，而电解过程对其后续优化是非常需要的。相关数据可能很难找到，就像大海捞针一样。为了解决这个问题，FHI界面科学系的科学家们实施了一种实验方法，用一种更简单的模型预催化剂系统取代了复杂的阳极。

在这种方法中，阳极预催化剂是一种定义明确的晶体薄氧化膜，允许其初始成分和结构的可控变化。为了保证纯度，在超高真空条件下制备阳极，所有后续研究均在同一实验表征系统中进行，不将样品暴露于环境空气中。这种严格的方法保护阳极在整个实验过程中不受污染，防止对实验数据产生任何不利影响。了解阳极的原子细节特性是该方法的核心方面。主要重点是研究水分解催化的核心方面，包括O2形成反应的微观机理细节、活性位点、电极老化以及阳极表面结构和组成对水分解性能的作用。更具体地说，文献中众所周知，在operando条件下，在催化剂表面形成一层氢氧化物层，但该层的特征以及最佳结构、厚度和组成尚不清楚。然而，人们认识到，在O2生产过程中，无论初始的预催化剂结构如何，都发生了统一的结构转变。另一方面，正如本文所述，预催化剂阳极的特定特性决定了在操作过程中发生的转化，并最终决定了电催化剂的长期活性和稳定性。

众所周知，在钴氧化物阳极中加入铁可以显著提高其性能，尽管潜在的机制仍在讨论中。全面了解铁添加的具体作用对于优化水裂解过程至关重要。为了实现这一目标，我们对晶体混合薄膜氧化阳极进行了研究，探索了不同的Co:Fe比率。平坦而明确的阳极结构使我们能够在氧化物的组成、结构和O2形成性能之间建立定量关系，使铁的有益效果明显。稳定性研究进一步揭示了铁溶解的性能改善，最终使催化剂向稳定的高活性阳极收敛。

该研究解决了水分解技术的两个相关方面，重点是将与电解槽制造和操作相关的成本降至最低。通过转向碱反应条件和地球上丰富的材料来保持这些低成本，对于广泛实施基于h2的能源经济至关重要。目前的电解技术使用稀有金属，铱和铂进行节能电解。用更便宜的钴基和铁基氧化物代替这些昂贵的金属将降低总体的水分解成本，增加这一过程的经济吸引力。电效率是另一个重要的成本考虑因素，取决于电极的化学成分和形态。本研究旨在提高我们对结构-反应性关系的理解，为合理设计电催化剂提供依据。

这项研究是在由DFG资助的Transregio 247项目框架内进行的，同时也得到了BMBF项目CATLAB的支持。这项研究的结果发表在《自然通讯》杂志上。

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