氢气溢出就像它听起来的那样。固定在热稳定氧化物(如二氧化硅)上的小金属纳米颗粒构成了一类主要的催化剂，这些催化剂是用来加速化学反应而不被自身消耗的物质。催化反应通常发生在具有活性且价格昂贵的金属上，但在某些催化剂上，类似氢原子的等价物从金属中溢出到氧化物中。这些氧化氢被称为“氢溢出”。

　　首次描述于1964年，最近作为利用氢作为清洁能源的潜在途径而引起了更多的关注;然而，根据宾夕法尼亚州立大学化学工程和化学教授伯特·钱德勒的说法，它并没有取得太大进展。这在很大程度上是因为，虽然研究人员已经能够识别近60年的氢溢出，但直到现在，还没有人能够量化它并描述支撑这一现象的机制。

　　钱德勒说，运气好的话，宾夕法尼亚州立大学领导的一个研究小组已经发现了氢气溢出发生的方式和原因，并首次对这一过程进行了定量测量。他们的研究结果发表在《自然催化》杂志上。

　　钱德勒说，这项工作提供了一个更好地理解和开发氢活化和储存的机会。传统的氢储存需要大量的能量来保持氢足够的冷却以保持液态。然而，凭借他们独特的钛上金系统，研究小组证明，他们可以在需要更少能量的高温下，有效、高效和可逆地将氢分子分解成氢原子——这是一个诱导氢溢出所需的过程。

　　该论文的通讯作者钱德勒说:“我们现在能够解释氢溢出是如何起作用的，为什么会起作用，是什么驱动了它。”“而且，我们第一次能够测量它——这是关键。一旦你量化了它，你就可以看到它是如何变化的，弄清楚如何控制它，并弄清楚如何将它应用于新问题。”

　　在氢溢出系统中，氢气反应分裂成氢原子等价物——一个质子和一个电子，但排列方式与它们的典型布局略有不同。在这个系统中，质子粘附在材料表面，而电子进入半导体氧化物的近表面导带。据钱德勒说，研究人员说，他们希望学会使用它们来测试更先进的化学应用，比如将原子转化为清洁燃料和氢气储存。

　　钱德勒说:“半导体部分很重要，因为相当于氢原子的质子在表面，电子在地下——它们仍然靠得很近，但被导电表面隔开了。”他解释说，这种小的分离避免了电荷分离通常需要付出的巨大能量损失。“对于几乎所有的吸附系统，你必须有良好的热吸附，以克服通过吸附将气体分子放入固体所需的能量损失。这在熵上是不利的。”

　　熵代表推进一个过程所需要的不可用的热能。换句话说，熵是分散到基态的能量，就像当无法获得使分子保持固态的能量时，冰融化成水一样。能量需要平衡，钱德勒说，在这些系统中，测量熵对平衡的贡献几乎是不可能的。

　　氢溢出是在1964年首次在氧化钨铂系统中发现的，此后在不同的系统中也观察到氢溢出。钱德勒解释说，直到最近，研究人员还认为氢原子与纳米粒子层紧密相连，需要更多的热能来破坏这些键，从而产生更多的溢出效应。但大多数促进氢溢出的系统都是混乱的，因为溢出物似乎会改变它们与纳米颗粒和半导体氧化物衬底的结合强度。钱德勒称这种现象为“嘶嘶吸附”，描述了模糊、粘稠的结合，掩盖了真正的吸附，掩盖了驱动溢出效应的因素:热能或熵。

　　钱德勒说:“我们弄清楚了如何在不同的系统中测量溢出吸附:金在氧化钛上。”他指出，金对氢的催化作用与许多其他金属不同。“金与氢的反应几乎不需要热能，它只在与氧化钛衬底的界面上激活反应。这意味着没有氢吸附到金上，所以我们可以量化所有产生的溢出效应，因为它都进入了基质，而不会在金上留下任何气泡。”

　　没有气泡，研究人员意识到吸附很弱——这“与大家所知道的完全不同，”钱德勒说。如果没有热能作为一个重要的变量，研究人员确定只有熵可以驱使原子从金到衬底。

　　钱德勒说:“我们选择这个系统真的很幸运，因为我们已经对黄金作为催化剂的作用感兴趣了。”他解释说，以前的研究人员可以准确地测量吸附量，因为氧化物上的弱吸附掩盖了金属溢出的量。“我们没有发明新的化学;我们只是收集数据。我们花了六年的时间测量和重新测量——当你提出一个特殊的主张时，你最好有特殊的证据——但我们填补了我们理解中的这个漏洞:熵驱动氢溢出。”

　　研究人员表示，他们现在正计划研究能够促进更好储氢的材料类型。根据钱德勒的说法，这项工作是向清洁能源发展迈出的一步，也是科学过程如何运作的一个引人注目的例子。

　　“科学是一个自我纠正的过程——如果你发现了一些不合理的东西，你就会努力把它弄清楚，”钱德勒说。“我们早就知道溢出效应，但没有人找到合适的系统来量化和理解它。我们收集了数据并找出了如何解释这一现象的方法。事实证明，我们使用的能量平衡并不总是显而易见的，熵可以驱动我们意想不到的事情。”

　　宾夕法尼亚州立大学化学工程系的共同作者包括阿克巴尔·马赫达维-沙基布，他是研究时的博士后学者;尹泰勇，博士研究生;Robert Rioux, Friedrich G. Helfferich化学工程教授。其他合著者包括圣三一大学的托德·n·惠特克和劳伦·c·里奇;以及休斯顿大学的K.B. Sravan Kumar、王申光和Lars C. Grabow。惠特克也隶属于科罗拉多大学博尔德分校。

　　能源部的基础能源科学计划、国家科学基金会和科学进步研究公司支持这项工作。

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