铱氧化物被认为是清洁能源关键材料之一，也是目前水电解过程中将电能转化为化学能的可靠催化剂。水电解通过电力将水分子分解为氧气和氢气，但在电解装置所需的强酸性与高电压条件下，铱氧化物催化剂会随时间缓慢降解。与此同时，铱作为地壳中最稀有的非放射性元素之一，其资源约束也使催化剂耐久性与用量效率成为重要议题。

杜克大学与宾夕法尼亚大学研究人员在一项新研究中，首次对铱氧化物纳米晶体在电解过程中的重构与溶解进行实时、原子尺度的直接观察。研究团队表示，这些结果有助于解释为何现有高性能催化剂仍会失效，并为延长材料寿命提供线索。相关论文发表在《美国化学会杂志》上。

论文通讯作者、杜克大学化学助理教授伊万·A·莫雷诺-埃尔南德斯表示，若将电解与太阳能或风能结合，相关路径有望减少对化石燃料的依赖，但地球上的铱资源不足以支撑当前能源使用水平，因此研究目标之一是设计更高效利用铱的材料，或最终实现不依赖铱的替代方案。

研究团队指出，过去对催化剂降解的认识多来自间接测量，例如追踪金属随时间的损失量，或对比颗粒在反应前后的图像。本次研究采用不同策略，通过先进电子显微镜、计算机模拟与设备级测试，跟踪晶体表面在溶解过程中逐原子发生的形态变化，从而在反应进行时直接观察降解如何展开。

实时观测结果显示，铱氧化物纳米晶体并非以均匀方式溶解。研究人员看到，原本平坦且相对稳定的原子平面会逐步转变为阶梯状、不规则、缺陷更易形成的表面。更重要的是，同一颗粒的不同晶面可能同时呈现不同溶解机制：既包括逐渐失去原子，也包括由整个原子层重构引发的表面粗糙化，以及被称为“剥离”的整层原子从表面脱落。

莫雷诺-埃尔南德斯表示，团队原先预期降解主要以逐个原子移除的方式发生，但实验中观察到成千上万个原子同时被移除的现象，呈现出集体行为特征。

为解释不同晶面溶解倾向的差异，研究团队开展理论建模与计算模拟。研究人员在超过5万小时的计算时间内，模拟了铱氧化物颗粒在水分解所用高电压条件下的自然重组过程。模拟结果显示，在操作条件下能量更稳定的表面，往往具有更多阶梯与折点，这与显微镜实验中出现的晶面类型一致。另一组模拟则表明，铱原子在某些晶面上更容易被移除，这种晶面依赖性有助于解释溶解为何常在颗粒特定区域启动并加速。

为验证纳米尺度观察与实际装置的相关性，研究团队进一步分析了在工业相关电流密度下运行100小时的水电解器中回收的铱氧化物催化剂。事后分析显示，回收样品同样出现高指数、粗糙晶面增加，而低指数、光滑表面减少的趋势。研究人员同时观察到，为维持相同电流所需电压上升，表明原子尺度的重构与可测量的性能退化存在对应关系。

莫雷诺-埃尔南德斯表示，在明确铱氧化物表面在降解过程中的重构与溶解路径后，后续可据此开发方法以尽量减少相关集体溶解机制，从而提升催化剂耐久性。研究团队也指出，本项工作得益于显微技术进步、计算资源提升以及多种研究工具的结合。