东北大学研究人员建立了一个框架，以了解氮化锆（ZrN）在增强清洁能源反应中的作用，为燃料电池中的铂等材料提供了一种具有成本效益的替代品。这项研究对清洁能源技术至关重要，同时也为其他类似材料带来了希望。

一组研究人员揭开了最近发现的一种有助于促进清洁能源反应的材料 - 氮化锆（ZrN）--背后的奥秘。他们提出的框架将有助于未来过渡金属氮化物的设计，为产生更清洁的能源铺平道路。

这项研究最近发表在《化学科学》（Chemical Science）杂志上，并被列为封面文章。

阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）是一种利用氢气和氧气通过化学反应（特别是氢氧化反应和氧还原反应）产生清洁电力的装置。AEMFC 能够在碱性条件下运行，为土基催化剂提供了合适的环境，为铂等其他高效催化剂材料提供了更廉价的替代品。

在 ORR 条件下，在 ZrN 上发现的羟基覆盖表面就像一片"森林"，从而产生了很高的 ORR 活性。图片来源/李浩

最近的研究表明，ZrN 在碱性介质中用于 ORR 时表现出高效性能，甚至超过了铂。氮化锆虽然不是一种富土材料，但仍比其他材料更具成本效益。但其令人印象深刻的性能背后究竟隐藏着什么，科学家们一直不得而知。

东北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）副教授、论文通讯作者李浩解释说："为了实现我们对氮化锆的新理论框架，我们决定采用表面状态分析、电场效应模拟和依赖于 pH 值的微动力学建模。"

表面分析表明，ZrN 在进行 ORR 时有一层非常薄的 HO。这层薄薄的HO有助于分子以一种有利于ORR的方式粘附在上面。此外，电场效应模拟证明，粘附在这种薄覆盖表面上的原子氧变化极小，因此粘附程度适中。在进行计算机模拟后，研究人员发现 ZrN 在碱性条件下达到了 ORR 的甜蜜点。

"我们的测试理论不仅适用于ZrN，也适用于Fe3N、TiN和HfN等与ZrN相似的其他材料，这意味着我们的想法也解释了如何利用这些材料来实现清洁能源。这一框架将有助于合理设计用于碱性 ORR 的过渡金属氮化物。"

未来，李浩和他的团队计划扩展这一框架，以研究其他具有重要工业意义的反应，如氧进化反应。