原子重排为创纪录的制氢催化剂开辟新路径

图注：图片来源：诺丁汉大学-FCW

研究人员发现，在同一实验中，原子可以发生混合、分离并重新组合，这为开发用于绿色制氢的创纪录催化剂提供了一条新途径。

在该研究中，团队制备了仅含几十个铂原子和镍原子的纳米尺度颗粒，并在直接空间和实时条件下观察到其异常的动态行为。当这两种金属在保持界面的同时彼此分离时，它们对电化学水分解表现出很高的活性，从而实现高效析氢。

该项目由诺丁汉大学牵头，并与伯明翰大学、钻石光源以及德国乌尔姆大学合作完成。该研究已于今日发表在《Advanced Materials》上。

“这一发现令人振奋之处在于，我们能够在直接观察原子尺度过程的同时，可逆地调控颗粒结构。这为设计适用于多种应用场景的自适应催化剂开辟了一种新策略。”

——诺丁汉大学化学学院 Jesum Alves Fernandes 博士

当牛奶加入咖啡中时，两种物质会轻易混合在一起，并且无法自发分离。这一过程受热力学第二定律支配，该定律调控分子和原子的行为，并导致熵增加，即无序程度增加。

诺丁汉大学化学学院负责实验工作的 Emerson Kohlrausch 博士表示：“最初，当我们在电子显微镜下观察铂—镍纳米颗粒时，看到两类原子处于混合状态，这与合金中的预期情况一致。然而，仅仅几秒钟后，这两种金属就在我们眼前开始彼此分离。这是一个令人惊讶的观察结果，因为它似乎违背了传统的热力学行为。”

为了通过电子显微镜对材料成像，原子必须与高速电子束相互作用，而电子束可以将部分能量传递给样品中的原子。这会激发颗粒中的原子重新排列并占据新的位置；对于铂—镍金属间化合物而言，这一过程会导致两种金属发生分离。

一旦镍从铂中分离出来，它就会从周围环境中获取氧原子并形成氧化物。诺丁汉大学纳米材料教授 Andrei Khlobystov 表示：“这会形成由两个半部分构成的纳米颗粒，即金属铂和氧化镍，两者之间由原子级清晰的界面分隔。我们创造了新型杂化颗粒，并实时观察其形成过程，这是前所未有的。”Khlobystov 教授长期推动利用电子显微镜对化学反应进行成像研究。

该团队此前曾将电子束同时用作成像工具和化学反应能量源，实现了对化学键断裂与形成以及晶体成核过程的首次实时观察。德国乌尔姆大学 Ute Kaiser 教授领导了 SALVE 项目，并为这些实验开发了一台独特的显微镜。她表示：“创造能够追踪每一个原子位置的条件非常重要。为实现这一目标，我们采用了尽可能薄的材料来支撑纳米颗粒，即石墨烯片，并精确控制电子束的能量和通量。”

值得注意的是，如果改变条件，这些金属还可以重新混合形成合金，并且同一过程可以重复多次。

“这些颗粒并不像刚性的固体物体那样运动，而是表现得像生命体一样，能够对环境作出响应。这启发我们将其动态行为用于催化。”

——诺丁汉大学化学学院 Emerson Kohlrausch 博士

研究人员进一步探索了铂—镍颗粒在电化学水分解制氢中的应用。他们证明，在电子显微镜中发现的金属分离过程也会在反应条件下发生。Jesum Alves Fernandes 博士表示：“这些颗粒之所以如此高效，是因为分离后两种材料之间能够协同作用。铂和氧化镍在水分解中各自承担不同作用，而共享原子级边界使二者能够实现最佳协同。”

这种协同效应提高了水制氢效率，使该材料成为目前用于水分解的高效催化剂之一。除制氢外，该研究成果还可能影响未来能源转换、化学制造和可持续工业过程中的催化剂设计。

该研究由英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）项目资助，项目名称为“面向可持续未来的表面与界面金属原子”（Metal Atoms on Surfaces and Interfaces, MASI）。更多信息可访问：www.masi.ac.uk。

诺丁汉大学在推动纳米科学和纳米技术发展方面具有长期积累。其纳米与微米尺度研究中心（Nanoscale & Microscale Research Centre, nmRC）在同一平台下提供独特的仪器设备和相关专业知识，支持从功能材料、量子技术到医疗健康等多个跨学科研究项目。

翻译人：沈亚皓

来源：https://fuelcellsworks.com/2026/06/04/electrolyzer/atomic-reshuffle-paves-way-for-record-breaking-catalysts-for-hydrogen-production