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在能源生產中尋找化石燃料的可行替代品的努力最近經歷了一場革命，因為科學家們正在尋找不需要貴金屬材料來產生活躍穩定的反應。
其中許多反應的核心是析氧反應(OER)，這是電解器中的水分解的一個重要電化學部分，可產生氫氣，為燃料電池提供動力。
美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室的科學家們利用高精度材料科學和電化學相結合的方法，對析氧反應過程中驅動材料的穩定性和活性的機制進行了深入研究。研究成果將指導電化學燃料生產材料的實際設計。
"我們的解釋在原子尺度和宏觀尺度上消除了一些圍繞雜質對材料穩定性的影響的迷霧，"阿貢研究員Nenad Markovic說，他是實驗室材料科學部門的化學家。
科學家們研究了一種被稱為氧化氫的電解槽材料，發現儘管電解槽的行為似乎完全穩定，但在原子尺度上，該系統是動態的。電極中的鐵原子會反覆脫落，並重新附著在界面上，或者說是發生重要的、產生氧氣反應的表面。這種溶解和再沉積之間的平衡使得材料的整體穩定性得以實現。
"一般來說，科學家們會測量電解槽能產生氧氣的時間，他們用這個來確定穩定性，"阿貢博士後科學家Dongyoung Jung說，他是這項研究的第一作者。"我們在宏觀尺度上將材料的整體穩定性與原子尺度上的穩定性解耦，這將有助於我們理解和開發新材料。"
科學家們開發了超靈敏的電化學測量工具，在OER過程中監測鐵的活性，並在不同水平的雜質中測試該系統，看看是什麼變量影響了材料的整體穩定性。鐵在界面上的行為決定了該材料在OER過程中的制氧能力。
"通過測量電極和電解液中的鐵含量，以超高的靈敏度，我們發現了意想不到的差異，這些差異指向了系統中鐵的動態穩定性。"負責這項研究的阿貢助理科學家Pietro Lopes說。
材料中的動態穩定性（儘管在原子水平上的活性很高，但在宏觀層面上的行為卻很穩定）對於電解器來說，這種動態穩定性並不一定是壞事。科學家們希望利用他們對這一現象的新認識，創造出性能更好的材料。
"一旦我們確定了鐵的作用以及它的運動如何影響析氧過程，我們就可以修改材料，利用動態穩定性，確保鐵始終存在於界面上，促進氧氣的產生。"Lopes說。
阿貢材料科學部門能源轉換和存儲組組組長Vojislav Stamenkovic說："虛擬穩定性和真實穩定性解耦的深刻含義將擴展到生產主動穩定界面的設計規則。"
該研究的相應論文於3月16日發表在《Nature Energy》上，題目為《Dynamic stability of active sites in hydr(oxy)oxides for the oxygen evolution reaction》。