氫燃料是一種前景廣闊的清潔能源，它可以由水裂解成氫氣和氧氣而制得。這個(gè)反應(yīng)很難發(fā)生，但在催化劑的作用下，可以加速該過(guò)程。然而，目前的水裂解催化劑效率較低，不具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這樣一種催化劑——鐵摻雜的氧化鎳，它作為一種高活性化合物可以加快該反應(yīng)，但它的活性來(lái)源尚不明確。

這個(gè)圖像是β-NiOOH的和其可能的鑲嵌結(jié)構(gòu)示意圖。圖片來(lái)源：Selloni實(shí)驗(yàn)室

現(xiàn)在，普林斯頓大學(xué)的研究人員通過(guò)理論計(jì)算對(duì)氧化鎳催化劑的活性成分β-NiOOH的結(jié)構(gòu)有了新的理解。研究人員由普林斯頓大學(xué)化學(xué)教授Annabella Selloni領(lǐng)導(dǎo)，他們的研究成果于10月28日發(fā)表在物理化學(xué)快報(bào)雜志上。

“了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)是對(duì)材料性能進(jìn)行進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。如果不知道材料的結(jié)構(gòu)，你就不可能知道它的性能，”Selloni表示。由于氧化鎳在反應(yīng)過(guò)程中不斷發(fā)生變化，它的確切結(jié)構(gòu)一直難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

該研究小組采取了理論研究的方式，并采用了“遺傳算法”來(lái)尋找該結(jié)構(gòu)。遺傳算法在一組參數(shù)下運(yùn)行，其從進(jìn)化過(guò)程汲取靈感，通過(guò)一代又一代的結(jié)構(gòu)，最終找到最“適合”或最有可能的結(jié)構(gòu)。

通過(guò)遺傳算法尋找結(jié)果與混合密度泛函理論計(jì)算的計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，Li和Selloni估計(jì)出了分子的電子結(jié)構(gòu)，從而確定了符合現(xiàn)有觀測(cè)結(jié)果的氧化鎳結(jié)構(gòu)。

這種觀測(cè)結(jié)果實(shí)際上是該材料的鑲嵌結(jié)構(gòu)，它由微小米粒狀的微觀結(jié)構(gòu)組成。研究人員提出這些微觀結(jié)構(gòu)是緩解層間應(yīng)力的穩(wěn)定隧道結(jié)構(gòu)。另一個(gè)觀察到的特征是由相同材料制成的層間距離的二倍，被稱(chēng)為其c軸周期性，其表示反應(yīng)過(guò)程中形成的Ni(OH)2和NiO2的交替層。

在對(duì)材料結(jié)構(gòu)有了更好理解后，科學(xué)家希望進(jìn)一步繪制出反應(yīng)中的活性變化。“我對(duì)微觀機(jī)理更感興趣，關(guān)注電子和原子在做什么，” Selloni說(shuō)。