维也纳大学发现新型催化机制 或将提高电化学应用效率

无论是燃料电池、电解还是化学储能，都通过电流控制化学反应，因此电化学的作用越来越重要。对这些应用来说，决定性因素在于提高反应速度和效率。

（图片来源：TU Wien）

据外媒报道，维也纳技术大学（TU Wien）和德国电子同步加速器（DESY）的研究人员发现，由镧、锶、铁和氧气制成的特殊材料，可以在两种不同状态之间来回切换。在一种状态下，该材料具有极高的催化活性，而在另一种状态下，催化活性较低。据DESY实验证明，造成这一现象的原因是，材料表面上微小铁纳米颗粒的行为。这一发现将有助于开发更好的催化剂。

电压引起氧离子迁移

化学技术与分析研究所的Alexander Opitz教授表示：“多年来，我们一直在使用钙钛矿进行电化学实验。钙钛矿是非常多样化的材料，其中一些是出色的催化剂。钙钛矿表面物质可以帮助某些反应物相互接触，或再次分离。最重要的是，钙钛矿具有氧离子可渗透的优势，可以传导电流，我们正在利用这一优势。”

当对钙钛矿施加电压时，氧离子会从晶体中释放出来，并开始通过材料迁移。如果电压超过某个值，也会导致钙钛矿中的铁原子迁移。它们移动到表面，并在那里形成直径仅几纳米的微小颗粒。从本质上说，这些纳米颗粒是优异的催化剂。

Alexander Opitz称：“有趣的是，如果使电压逆转，催化活性会再次降低。到目前为止，其中原因尚不明了。有人怀疑铁原子只会迁移回晶体中，但事实并非如此。当这种效应发生时，铁原子根本不必离开它们在材料表面的位置。”

DESY利用X射线进行分析

TU Wien与DESY的团队合作，在化学过程发生时，用X射线精确分析纳米颗粒的结构。结果表明，纳米颗粒在两种不同状态之间来回变化，取决于所施加的电压。Alexander Opitz指出：“我们可以使铁粒子在金属状态和氧化状态之间切换。所施加的电压决定材料中的氧离子是被泵向铁纳米颗粒，还是远离它们，因此可以控制纳米颗粒中含氧量。根据氧含量，纳米颗粒可以形成两种不同的结构，一种是富氧结构，具有较低的催化活性，另一种是贫氧结构，即金属结构，催化活性非常高。”

“对我们来说，这是非常重要的发现，”Alexander Opitz说，“如果两种状态之间的转换，是由铁原子纳米颗粒扩散回晶体引起的，那就需要非常高的温度来有效运行这一过程。既然我们已经知道活性变化与铁原子扩散无关，而是与两种不同晶体结构之间的变化有关，那么相对较低的温度就足够了。这类催化剂更加有趣，或将用于促进技术上的相关反应。”

从氢到储能

这种催化机制目前还有待进一步研究，对于成分略有不同的材料也是如此，或将提高诸多应用的效率。Alexander Opitz说：“对于在能源领域至关重要的化学反应来说，这很有意义。例如，生产氢气或合成气，或通过电流生产储能燃料。