氢氧化物(科学家发现氢气在氧化物表面活化的新模式)

Posted 2023-05-30

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氢氧化物(科学家发现氢气在氧化物表面活化的新模式)

中国科学技术大学化学与材料科学学院教授黄伟新与德国马普学会Fritz-Haber研究所教授Hans-Joachim Freund合作，在H₂与氧化物相互作用体系研究中取得新进展，发现了H₂在具有氧缺陷的二氧化铈(CeO_2-x)表面发生均裂生成H^-，同时氧化CeO_2-x的新活化模式。研究结果“Oxidation of Reduced Ceria by Incorporation of Hydrogen”以全文形式在线发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.201907117）。

H₂与氧化物(MO_x)相互作用广泛存在于多相催化反应体系。已有研究结果表明了H₂在氧化物表面吸附活化存在异裂生成质子(OH)和M-H^-的模式(H₂+ M^2x++ O^2-→O^2-H⁺+ M^2x+-H^-)和均裂生成质子并还原氧化物的模式(H₂+ M^2x++ 2O^2-→2O^2-H⁺+ 2M^(2x-1)+)。在本工作中，黄伟新与Hans-Joachim Freund利用多种谱学表征技术，合作研究了H₂在具有氧缺陷的CeO_2-x粉末和CeO_2-x(111)单晶薄膜表面的吸附。X-射线光电子能谱(图A)、电子顺磁共振(图B)和电子能量损失谱(图C)的表征结果均观察到常温H₂的吸附显著降低CeO_2-x样品中Ce³⁺的含量。这些结果表明常温H₂在CeO_2-x表面吸附能够导致CeO_2-x的氧化，从而揭示了H₂在CeO_2-x氧缺陷位均裂生成Ce⁴⁺-H^-并氧化氧化物(H₂+ 2M^(2x-1)+_Vo→2M^(2x)+_Vo-H^-)的全新模式(图D)，并且生成的H^-物种易于从CeO_2-x表面扩散至体相。该模式的发现加深了对氧化物催化剂活化H₂以及氧化物催化剂体系氢物种的基础理解。

黄伟新在氧化物体系氢物种及其反应性能研究方向开展了系统研究，建立了“氧缺陷控制氧化物表面羟基反应性能”概念(Surf. Sci.600 (2006) 793;J. Phys. Chem. B109 (2005) 9202;J. Am. Chem. Soc.131 (2009) 16366; J. Phys. Chem. C111 (2007) 2198/115 (2011) 6815/115 (2011) 14290/116 (2012) 11921/117 (2013) 5800/120 (2016) 9845/120 (2016) 26968/122 (2018) 22530;PCCP 15 (2013) 12068;Chem. Eur. J.21 (2015) 4252)，制备了氧化物表面H^-物种并研究其反应行为(PCCP16 (2014) 7051; Chin. Chem. Lett.29 (2018) 752)，明确了氧化物光催化分解水制氢的活性氢物种(J. Phys. Chem. C116 (2012) 11921/Sci. China Chem.62 (2019) 199)，受邀在Encyclopedia of Interfacial Chemistry: Surface Science and Electrochemistry(ISBN: 9780128097397, Ed. Klaus Wandelt, Vol. 3, Elsevier B.V., 2018, pp 666-672)撰写“Surface Oxygen Vacancy-Controlled Reactivity of Hydroxyl Groups on Transitional Metal Oxide Surfaces”条目。此次H₂在氧化物氧缺陷位均裂生成M-H^-活化模式的发现将为该研究方向提供新的思路。

黄伟新与Hans-Joachim Freund为论文共同通讯作者，中国科大博士研究生李兆瑞、德国马普学会Fritz-Haber研究所博士研究生Kristin Werner和中国科大特任副研究员千坤为论文共同第一作者。研究得到科技部国家重大科学研究计划、国家自然科学基金委员会和教育部长江特聘教授项目的资助。

中国科大等发现氢气在氧化物表面活化的新模式

来源：中国科学技术大学