新研究揭示了金-钯合金能比纯钯更好地储存氢气

Au原子使化学吸附的氢变的不稳定，从而增加其能量并降低能垒。图片来自：东京工业大学科学研究所

      吸氢材料主要用于储氢和净化，因此可用作清洁能源的载体。最好的氢吸收剂钯可以通过与金元素合金化来进一步改善。

      由东京工业大学引领的新研究首次解释了黄金是如何产生这样的差异，这对于进一步改进是十分有价值的。

      储氢的第一步是化学吸附，其中气态H2与钯碰撞并吸附（粘附）在钯表面。之后，化学吸附的H原子扩散到几个纳米深的原子表面。最近发表在美国国家科学院院刊（PNAS）上的一篇文章报道说，该小组专注于这个缓慢的第二步，而这是整个过程的关键。

      在纯钯中，与钯碰撞的H2分子中大约只有1/1000能够被吸收到内部。然而，当钯表面与金合金化时，其吸收速度快40倍以上。

      根据该研究，金的含量至关重要，当金原子数略少于单个钯单层的一半（0.4）时，金含量是最合适的，此时氢吸收能达到最大化。这是通过热解光谱法和使用伽马射线对H原子的深度测量发现的。

      “我们想知道黄金到底扮演什么角色，”研究第一作者Kazuhiro Namba说。“金原子主要位于合金表面。但是，我们的结果表明，在纯钯中，即使在这个深度以下，储氢也会得到改善。因此，金很有可能是加速氢扩散，而不是改善其溶解度。”

      这种扩散作用类似于典型的化学反应，其速率由能垒决定，即H原子必须克服才能穿过钯原子。势垒高度是化学吸附H原子的能量与它们必须通过以到达第一个亚表面位置的过渡态之间的间隙。

      根据密度泛函理论（DFT）计算，金原子使化学吸附氢变得不稳定，从而增加其能量并降低能垒。通过使表面成为H原子不稳定的环境，这可以促使它们更快地渗透到更深的位置，而不是在表面徘徊。光电子能谱表明，金原子将钯电子的能量向下推，削弱了它们化学吸附氢的能力。

      然而，弱化学吸附的H原子也更容易从表面解吸，即返回气相。这个过程解释了为什么仅用0.4个厚的单层金来实现氢储存最大化，如果再添加金，则氢的解吸超过其扩散，吸氢能力减弱。

      “我们的研究在电子层面上揭示了黄金合金化是如何控制氢吸收的，”共同作者Shohei Ogura说。“这将有助于我们设计更好的储氢材料，并且将在中性碳能量输送中发挥作用，以及化学反应的固体催化剂，这些通常都依赖于表面结合的氢气。”