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，并侵蚀我们的纪念碑。腐蚀还会损坏对清洁能源未来至关重要的设备。现在，杜克大学的研究人员已经捕捉到了该过程的极端特写。

化学教授兼资深作者伊万·莫雷诺-埃尔南德斯(IvanMoreno-Hernandez)表示：“通过研究可再生能源设备如何以及为何会随着时间的推移而损坏，我们或许能够延长其使用寿命。”

在他杜克大学的实验室里，有一个这样的设备的微型版本。它被称为电解槽，可以从水中分离出氢气，并利用电力为反应提供动力。

当用于电解的电力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有前途的清洁燃料来源，因为它不需要化石燃料来生产，并且燃烧时不会产生任何导致地球变暖的二氧化碳。

许多国家计划扩大所谓“绿色氢”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。

但在氢能成为主流之前，需要克服一些重大障碍。

部分问题是电解槽需要稀有金属催化剂才能发挥作用，而这些催化剂很容易腐蚀。运行一年后，它们与开始时不一样了。

Moreno-Hernandez和他的博士在4月10日发表在《美国化学会杂志》上的一项研究中。学生艾弗里·维吉尔(AveryVigil)使用一种称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导致其衰变的复杂化学反应。

您可能还记得高中时，为了制造氢气，电解槽将水分解成氢分子和氧分子。在当前的研究中，该团队专注于一种名为二氧化钌的催化剂，它可以加速反应中的氧气，因为这是该过程的瓶颈。

“我们基本上对这些材料进行了压力测试，”维吉尔说。

他们用高能辐射照射二氧化钌纳米晶体，然后观察细胞内酸性环境所造成的变化。

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，该显微镜通过悬浮在超薄液体袋内的纳米晶体发射电子束，以每秒10帧的速度创建化学反应的延时图像。

结果是：病毒大小的晶体比人的头发细一千倍以上，当它们被氧化并溶解到周围的酸性液体中时，可以在桌面上看到特写镜头。

“我们实际上能够以纳米级分辨率看到这种催化剂分解的过程，”莫雷诺-埃尔南德斯说。

维吉尔说，在五分钟的时间里，晶体的分解速度足以“使真正的设备在几个小时内变得毫无用处”。

放大数十万倍后，这些视频揭示了晶体3D形状中的细微缺陷，这些缺陷产生了应变区域，导致一些晶体比其他晶体更快分解。

研究人员表示，通过最大限度地减少此类缺陷，有一天可以设计出比目前的使用寿命长两到三倍的可再生能源设备。

“因此，电解槽不是可以稳定运行两年，而是可以持续六年。这可能会对可再生技术产生巨大影响，”莫雷诺-埃尔南德斯说。