東京大學PNAS：鈀通過與金表面合金化加速吸氫

    【引言】

    材料中的氫吸附對儲氫和氫凈化膜至關重要。吸附的氫還起著表面催化反應至關重要的作用，例如烴的氫化和H-D交換反應。這些應用需要有效吸附大量氫的材料。鈀（Pd）被稱為吸氫材料。在Pd表面的氫-吸附過程中，從表面到次表面區域的氫滲步驟是公認的限速步驟。由于表面控制滲透過程，因此可通過改變表面來控制，如其原子結構或與其他材料合金化，來控制滲透動力學。盡管純的金（Au）不吸附氫氣，但已知Pd-Au合金顯示出比純Pd更高的氫溶解度。然而，到目前為止，Au對從表面到次表面區域的氫滲透的影響尚未闡明。

    【成果簡介】

    近日，在日本東京大學Shohei Ogura（通訊作者）帶領下，與哈佛大學合作，通過熱解吸光譜（TDS）和核反應分析（NRA）的氫深度剖析研究了Pd（110）上Pd-Au表面合金的氫吸附。證明了Pd（110）表面與亞單層量的Au合金化顯著加速了氫的吸附。通過密度泛函理論（DFT）計算，這種動力學增強的原因主要是化學吸附表面氫的不穩定性導致滲透屏障減少。另外，通過角分辨光電子能譜（ARPES）觀察到的表面電子態的變化，也表明了化學吸附表面氫的不穩定性。這些發現將有助于改善和控制吸氫材料表面的氫傳輸。相關成果以題為“Acceleration of hydrogen absorption by palladium through surface alloying with gold”發表在PNAS上。

    【圖文導讀】

圖1. 不同Au覆蓋率下H2 TDS光譜圖

    （A）在120 K下，100-Langmuir H2暴露后，從0.3-1.8 ML不同的Au/Pd（110）表面和Pd（110）獲得的H2 TDS光譜圖；

    （B）在Au/Pd表面不同Au覆蓋率下，Pd（110）表面獲得的H2 TDS光譜圖。

圖2. Pd（110）和0.3-ML Au/Pd（110）的NRA曲線圖

    在120 K下暴露于1000-Langmuir H2后，從純Pd（110）和0.3-ML Au/Pd（110）中獲取的NRA曲線圖

圖3. Au覆蓋率-標準峰面積圖

圖4. 0.5-ML Au/Pd（110）的DFT研究

    （A）DFT計算的0.5-ML Au/Pd（110）的模型示意圖。

    （B）0.5-ML Au/Pd（110）（實線）和Pd（110）（虛線）表面的單個H原子的勢能圖。

圖5. 不同條件下ARPES強度變化曲線圖

    （A）純Pd（110）的ARPES強度變化曲線圖。

    （B）0.48-ML Au/Pd（110）在退火后的ARPES強度變化曲線圖。

    （C）2.4-ML Au/Pd（110）在生長后的ARPES強度變化曲線圖。

    （D）Pd70Au30（110）在600K退火的ARPES強度變化曲線圖。

    【小結】

    總之，團隊研究了合金Pd/Au（110）表面的氫吸附，發現亞單層Au的加入顯著加速了氫的吸附。這種動力學增強的原因是化學吸附表面氫的不穩定性和滲透過程的過渡狀態下與表面相比，能量水平的較小增加，這導致了穿透屏障從表面到次表面的減少。研究結果表明，僅添加少量Au可以增強氫吸附動力學，這對于氫存儲和氫純化是重要的。該發現將有助于改善和控制Pd相關合金和吸氫材料的表面上的氫傳輸，并且還可以控制這些表面反應的催化活性和選擇性。

    文獻鏈接：Acceleration of hydrogen absorption by palladium through surface alloying with gold（PNAS, 2018, DOI：10.1073/pnas.1800412115）

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