美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家们报告说，一种将单个铱原子固定在催化剂表面的新方法提高了催化剂分解水分子的效率，使其达到了创纪录的水平。

这是该方法第一次被应用到氧演化反应(OER)中。OER是电解过程的一部分，利用电将水分解成氢和氧。

如果由可再生能源提供动力，电解可以更可持续地生产氢燃料和化学原料，并减少化石燃料的使用。但OER的缓慢步伐一直是其提高效率、以便在公开市场上竞争的瓶颈。

研究小组表示，这项研究的结果可以缓解这一瓶颈，并为观察和理解这些单原子催化反应中心在现实工作条件下是如何运作的开辟了新的途径。

他们将研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

化学工业的支柱

催化剂是化学工业的支柱，为可持续能源的未来提供了希望。就像媒人一样，它们从流动的液体或气体中抓取分子，并促使它们相互反应，而自身不会被消耗掉。为了使这一过程的效率最大化，催化剂纳米颗粒通常分散在多孔材料的表面，这为同时发生许多反应提供了最大的表面积。

但只有纳米粒子外部的原子才能参与催化；内在的就被浪费了。当催化剂是昂贵的贵金属，如铱或铂时，即使是少量的材料浪费也很昂贵。因此，科学家们一直致力于使用这些贵金属的单个原子。

每个原子都是一个催化反应中心。它们的微小尺寸意味着在一个给定的支撑结构的表面可以容纳更多的单位。这大大增加了接触到反应物的活性催化剂的数量和同时可以发生的反应的数量，提高了效率。

在这项研究中，由斯坦福大学教授Yi Cui和SLAC科学家Michal Bajdich领导的团队开发了一种新方法，能够将单个铱原子固定在支撑表面上。

斯坦福大学博士后Xueli Zheng和Jing Tang进行了这项实验，提供辅助的是SLAC助理科学家Alessandro Gallo对x射线数据的理论模拟，揭示了哪种构型将是最稳定和最有效的。

原子锚定

为了制造这种新型催化剂，研究人员首先制造了一种多孔结构来支撑催化反应的铱原子。

他们将这种泡沫状结构暴露在含有铱化合物的溶液中，迅速将其冻结，在其表面形成一层薄薄的、富含铱的“冰”，并进行额外的处理，以创建分布良好的位置，使单个铱原子紧贴在支撑的表面上。

对工作中的催化剂的x射线观察显示，铱原子处于一种化学状态，这使得它们在进行释放氧气的水分裂反应时异常有效。

其他测试表明，这种增强的活性完全是由于铱是以单个孤立原子的形式存在而带来的，而不是来自于它们扩大的表面积。

研究人员报告说，由此产生的催化剂比目前已知的大多数铱基催化剂都要好。他们说，这种新的原子锚定系统为探索和建立各种电催化反应的催化剂及其支撑结构之间的连接提供了一个理想的模型。

Cui Yi，斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)研究员，Michal Bajdich，SUNCAT界面科学与催化中心研究员，该中心是斯坦福大学的联合研究所，在那里进行了理论计算。

对催化剂的x射线观测是在SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)和劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源(ALS)进行的，计算工作是在国家能源研究科学计算中心(NERSC)进行的；这三个都是美国能源部科学办公室的用户设施。

来自伯克利实验室分子铸造厂和美国国家标准与技术研究所材料测量设施的研究人员也对这项由美国能源部科学办公室资助的工作做出了贡献。 

原标题：单原子催化剂打破电水解制氢效率纪录