科學家利用中子能譜發現了“氧海綿”催化劑的吸氫性能

【概要】科學家已經發現，汽車尾氣系統的主要催化劑，即一種可從空氣中吸收氧氣并將其儲存起來，可用于氧化反應的“氧氣海綿”，其有可能作為一種“氫氣海綿”從而被應用。

【圖注】由中子探測發現，可兩種機制來解釋氫氣流經氧化鈰（CeO2）催化劑時發生了什么，為了改變其氧化態，氧化鈰催化劑已經在實驗室中加熱到不同的溫度。第一種機制表明氫（H）原子各自僅與氧（O）原子締合，在表面上僅產生OH物質。由橡樹嶺國家實驗室領導的研究取而代之地提供了第二種機制的依據，其中一個H原子與O原子締合成OH，另一個H與鈰（Ce）締合并產生CeH-氫化物，其可作為H在工業上的重要氫化反應。 顏色代碼：氫—藍色; 氧氣—紅色; 表面鈰—淡黃色; 聚集鈰—綠色。

這種正確的工具使能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家們和他們的合作者們發現，車輛排氣系統是一種主力催化劑，即一種“氧氣海綿”，該海綿可以吸收空氣中的氧氣， 用于氧化反應。以此同時，其也有可能是“氫氣海綿”。

發表在“美國化學學會雜志”上的這一發現可能為設計更有效的選擇性加氫反應催化劑開拓了前景。選擇性加氫是生產有價值化學品的關鍵，例如，將炔烴的三鍵烴選擇性地轉化為雙鍵烯烴，使其可用于合成塑料、燃料和其他商業產品的原料。“然而，了解分子氫如何與二氧化鈰（氧化鈰，CeO2）相互作用是一個巨大的挑戰，因為沒有常規的技術可以“看見”輕的氫原子，于是我們轉向非彈性中子光譜學，這是一種對氫非常敏感的技術，”ORNL的化學家Zili Wu說道。

ORNL的裂解中子源（SNS）是美國能源部的一個科學設備辦公室，一束名為VISION的中子束線可探測原子相互作用的振動信號并產生描述它們的光譜。“中子能譜由于其大的中子散射截面，其可以’看到’氫，所以在光譜學技術失敗的情況下，它成功地取得了成功，并且首先直接觀察到二氧化鈰催化劑的表面和本體上的氫化鈰”，吳教授說道。

在汽車發動機中，碳氫燃料需要氧氣來燃燒。產生的廢氣含有致命的一氧化碳和未完全燃燒的碳氫化合物。在催化轉化器中，催化劑氧化鈰從空氣中吸取氧氣，并將其加入一氧化碳和碳氫化合物中，使其轉變成二氧化碳，這是非致命的。氧化鈰可能奪取氫氣以及氧氣的此項發現，有可能努力通過設計，使其進行催化甚至導致電子增加（“還原”）和電子損失（“氧化”）的兩個反應。

目前已經提出了兩種機制來解釋分子氫和氧化鈰之間的相互作用。一種機制是兩個氫原子僅與氧原子締合，在表面上產生相同的產物（兩個羥基物質，或OH化學基團）。而在另一種機制中，一個氫原子與氧原子結合形成OH，另一個氫原子與鈰原子結合形成氫化鈰（CeH）。前者稱為“homolytic”，后者稱為“heterolytic”。吳教授說：“在之前的氧化鈰上沒有發現異裂反應。雖然理論上預言了異裂反應，但還沒有實驗依據。”

在納米材料科學中心（CNMS），位于ORNL的DOE科學用戶設施辦公室內的研究人員制造了氧化鈰納米級結晶棒，并具有明確的表面結構，以促進對催化反應的理解。在商業上氧化鈰通常為球形顆粒。納米級棒允許它們將氫中的氫與表面上的氫區分開來，此時研究者認為催化是可以發生的。首先在表面和大塊二氧化鈰上觀察到的氫化物極其重要的，因為它確定了大部分材料也可以參與化學反應。

同樣在CNMS，Wu和Guo Shiou Foo利用紅外和拉曼光譜進行了原位實驗，這些實驗使光子散射產生光譜，給出了原子振動的“指紋”。不幸的是，這些光學技術只能看到振動氧—氫鍵（從氧和氫鍵之間的伸縮），在二氧化鈰的氫化物種上是盲區。為了直接觀察其與氫的相互作用，研究人員必須使用SNS，因此Yongqiang Cheng，?Luke Daemen?和Anibal Ramirez-Cuesta進行了非彈性中子散射實驗。

同時，Kansas大學的Franklin Tao，Luan Nguyen和Xiaoyan Zhang使用環境壓力X射線光電子能譜來表征氧化鈰的氧化態，這對于推導氧化鈰的機理來說至關重要。此外，在Tennessee大學的Ariana Beste幫助下，Cheng創建了基于理論的中子振動光譜模擬實驗，并將其與實際實驗的觀測結果進行了比較。這種團隊合作對于更深入地理解分子氫和氧化鈰基催化劑之間的相互作用至關重要。

目前的中子研究可使用VISION來研究催化劑中氫化物物質的性質。進一步的研究還將采用另一束線NOMAD來表征催化劑中表面氫化物和本體氫化物的確切結構，以揭示例如氧空位是否在本體中形成通道使其引入氫并進一步促使其形成氫化物。更重要的是，研究人員將利用NOMAD在化學反應發生的溫度下測量衍射圖的能力。加入碳氫化合物后，他們將探索和揭示氫化反應中表面氫化物相對于本體氫化物的催化作用。他們建立的理論體系將有助于設計更有效的鈰基催化劑并使其應用于不同的領域。

原文鏈接：Common 'oxygen sponge' catalyst soaks up hydrogen too
本文由材料人編輯部李妹編輯，點我加入材料人編輯部。

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