资料来源：麻省理工学院新闻办公室David L.Chandler

麻省理工学院的研究人员发现了一种新的材料家族，它在一种名为析氧的反应中提供了有史以来最好的性能，这是先进燃料电池和锂空气电池等储能和输送系统的关键要求。

这种材料被称为双钙钛矿，是地壳中大量存在的一种矿物的变体。发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文详细介绍了它们在水分解反应中促进氧气释放的非凡能力，该反应将水分子分解为氧气和氢气。这项工作由Gail E.Kendall机械工程和材料科学与工程教授Yang Shao Horn主持；博士后Alexis Grimaud；以及其他六个。

Shao Horn说，这一系列材料的性能比之前的催化剂记录保持者进步了一步，该催化剂可以促进电化学水分解——Shao Hor恩和她的团队两年前在《科学》杂志上的一篇论文中报道了这种材料。此外，虽然早期材料在水分解过程中快速改变结构，但新材料是稳定的。

将水分解为其组成元素对风能和太阳能等可再生能源来说可能是一个巨大的福音，因为风能和太阳能的产量变化很大。使用催化系统，太阳能电池板或风力涡轮机的电力可以被输送到一个水容器中，通过分解水分子产生的氧气和氢气流可以被收集在单独的水箱中。然后，当需要电力时，这两种气体可以重新组合，例如在燃料电池中，以产生水和电。

这种方法在原理上是众所周知的，但为了使其在经济上可行，研究人员必须找到价格低廉、易于制造且足够高效的催化剂，以便在不损失太多原始功率的情况下进行转化。麻省理工学院的研究人员表示，这一新发现可能是朝着这个方向迈出的重要一步。

本研究中使用的特定化合物是由镧系元素（镨、钐、钆或钬）与钡、钴和氧结合制成的。这些化合物形成了一种晶体结构，其中钡的一个位置不同，镧系元素的另一个位置也不同。“在化学和结构上有很大的灵活性，”Shao Horn说，允许使用各种各样的潜在材料。

视频显示，当新型催化剂材料（中心的暗圈）浸入水中时，其在促进析氧反应方面具有强大的活性，正如其表面形成的氧气气泡所揭示的那样。

Shao Horn和她的团队之前曾报道过钴或铁等过渡金属离子对水分解反应的影响，但这项工作表明，改变特定的镧系元素对催化剂产生氧气的速度有很大影响，Shao Horne说。研究人员报告称，在迄今为止的测试中，使用镨的催化剂的活性水平是迄今为止测试的所有材料中最高的。而且，与该反应中测试的大多数其他材料不同，测试表明，这种材料在重复使用下是稳定的。

此外，由于这代表了一个新的用于水分解的化合物家族，麻省理工学院的研究人员预测，进一步的研究可能会产生更具活性的催化剂。Grimaud说，“我们发现了哪些物理参数可以控制这些化合物的活性和稳定性”，为未来的研究提供了指导。他们说，这些化合物可以用于燃料电池、先进的可充电金属空气电池和太阳能直接分解水。

Grimaud说，虽然某些类型的钙钛矿是自然产生的，但本研究中使用的化合物不是。它们是在实验室里通过一个简单的过程合成的：科学家们将组成材料的粉末混合在一起，“将其研磨并放入高温下的熔炉中，”格里莫说。

Shao Horn说，第一个钙钛矿是在1839年发现的，但她的团队“回顾了研究”，发现令人惊讶的是，人们对如何调节这些氧化物以进行水分解知之甚少。她说，他们的工作“突出了一条新的途径，有可能将基本氧化物物理与这些钙钛矿的活性和稳定性联系起来”。

Grimaud补充道：“这个家庭非常大，”到目前为止，这项工作“只是触及表面。”但通过他、Shao Horn和他们的同事开发的方法，“我们可以对它们进行筛选，并系统地寻找活性催化剂。”

Grimaud补充道：“我们对这些氧化物的表面以及它们在水分裂条件下可能发生的变化知之甚少，活性位点是什么。”未来的工作需要将氧化物的整体财产与操作条件下的氧化物表面化学和催化活性联系起来。

Jean-Marie Tarascon，法国皮卡第大学教授，固体反应性和化学实验室主任