氫燃料是一種前景廣闊的清潔能源，它可以由水裂解成氫氣和氧氣而制得。這個反應很難發生，但在催化劑的作用下，可以加速該過程。然而，目前的水裂解催化劑效率較低，不具有商業競爭力。最近，科學家發現這樣一種催化劑——鐵摻雜的氧化鎳，它作為一種高活性化合物可以加快該反應，但它的活性來源尚不明確。

這個圖像是β-NiOOH的和其可能的鑲嵌結構示意圖。圖片來源：Selloni實驗室

現在，普林斯頓大學的研究人員通過理論計算對氧化鎳催化劑的活性成分β-NiOOH的結構有了新的理解。研究人員由普林斯頓大學化學教授Annabella Selloni領導，他們的研究成果于10月28日發表在物理化學快報雜志上。

“了解物質結構是對材料性能進行進一步研究的基礎。如果不知道材料的結構，你就不可能知道它的性能，”Selloni表示。由于氧化鎳在反應過程中不斷發生變化，它的確切結構一直難以通過實驗確定。

該研究小組采取了理論研究的方式，并采用了“遺傳算法”來尋找該結構。遺傳算法在一組參數下運行，其從進化過程汲取靈感，通過一代又一代的結構，最終找到最“適合”或最有可能的結構。

通過遺傳算法尋找結果與混合密度泛函理論計算的計算技術相結合，Li和Selloni估計出了分子的電子結構，從而確定了符合現有觀測結果的氧化鎳結構。

這種觀測結果實際上是該材料的鑲嵌結構，它由微小米粒狀的微觀結構組成。研究人員提出這些微觀結構是緩解層間應力的穩定隧道結構。另一個觀察到的特征是由相同材料制成的層間距離的二倍，被稱為其c軸周期性，其表示反應過程中形成的Ni(OH)2和NiO2的交替層。

在對材料結構有了更好理解后，科學家希望進一步繪制出反應中的活性變化。“我對微觀機理更感興趣，關注電子和原子在做什么，” Selloni說。