這種二氧化鈰超薄膜的透射電子顯微鏡的圖像顯示，單個(gè)原子（以點(diǎn)表示）在強(qiáng)烈的壓力下會(huì)發(fā)生移動(dòng)。圖片來源：Sang Chul Lee

    據(jù)美國(guó)斯坦福大學(xué)和SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們最新研究發(fā)現(xiàn)：少量的擠壓或微小的拉伸可以大大地提高催化性能。

    科學(xué)家的這一新發(fā)現(xiàn)曾于5月18日在Nature Communications上發(fā)表，文章重點(diǎn)介紹了一種名為氧化鈰或二氧化鈰的工業(yè)催化劑，這些催化劑通常是一種用于催化轉(zhuǎn)化器、自清潔爐和各種綠色能源應(yīng)用中的海綿材料，如用在燃料電池和太陽(yáng)能分水器中。

    該研究的作者之一Will Chueh是斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程的一名助理教授，也是SLAC實(shí)驗(yàn)室的一名教授，他說：“氧化鈰就像海綿一樣，能夠根據(jù)需要來儲(chǔ)存和釋放氧氣。我們發(fā)現(xiàn)僅僅對(duì)二氧化鈰拉伸或壓縮幾個(gè)百分比，就顯著提高了其儲(chǔ)氧能力，這一結(jié)果也推翻了對(duì)于常規(guī)氧化物材料的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，有望制備出性能更好的催化劑。

    催化轉(zhuǎn)化器

    目前二氧化鈰早已被用于催化轉(zhuǎn)化器中，因?yàn)槠溆兄趶能囕v排放的廢氣中去除大氣污染物。

    本研究的第一作者、斯坦福大學(xué)前博士后研究員Chirranjeevi Balaji Gopal說：”二氧化鈰可以從汽車排放的有毒氮氧化合物中吸收氧分子，從而將氮氧化物轉(zhuǎn)化為無毒的氮?dú)狻Ｈ缓蠖趸嫊?huì)釋放儲(chǔ)存的氧氣，被釋放的氧氣再被用于將致命的一氧化碳轉(zhuǎn)化為良性二氧化碳。“研究表明，對(duì)二氧化鈰進(jìn)行擠壓和拉伸會(huì)造成其納米尺度的變化，從而影響其存儲(chǔ)氧氣的能力。

    此研究的共同作者、現(xiàn)任賓夕法尼亞大學(xué)SLAC的前職員科學(xué)家、這項(xiàng)工作的計(jì)算方面的負(fù)責(zé)人Aleksandra Vojvodic說：”二氧化鈰的儲(chǔ)氧能力對(duì)于其作為催化劑所能擁有的有效性的大小來講是至關(guān)重要的。基于以前的研究，目前的理論預(yù)期是：拉伸二氧化鈰將增加其儲(chǔ)存氧氣的能力，而壓縮則會(huì)降低二氧化鈰儲(chǔ)存氧氣的能力。

    為了去測(cè)驗(yàn)這一預(yù)測(cè)是否正確，研究團(tuán)隊(duì)在不同材料制成的基板之上，培育了幾納米厚的二氧化鈰超薄薄膜。在這個(gè)過程中二氧化鈰受到等于1萬倍地球大氣壓的壓力。這種巨大的壓力導(dǎo)致二氧化鈰分子發(fā)生分離，并擠壓在一個(gè)小于一納米的距離上。

    驚喜結(jié)果

    通常，像二氧化鈰這樣的材料是通過在膜中形成缺陷來緩解壓力的。但在原子尺度上的分析結(jié)果卻顯示出了令人驚喜的發(fā)現(xiàn)。

    斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授Robert Sinclair說：“我們使用高分辨率透射電子顯微鏡來解決單個(gè)原子的位置，我們發(fā)現(xiàn)，薄膜保持拉伸或壓縮并不會(huì)形成這樣的缺陷，從而可以使應(yīng)力保持完全有效的狀態(tài)。

    為了測(cè)量現(xiàn)實(shí)世界操作條件下的應(yīng)力影響，研究人員利用勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光源產(chǎn)生的X光照射光束，分析了二氧化鈰樣品。

    結(jié)果更令人驚訝，Gopal表示：”我們發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變薄膜的二氧化鈰儲(chǔ)氧能力提高了四倍。不管你是拉伸還是壓縮它，都會(huì)得到非常相似的結(jié)果，即儲(chǔ)氧能力得到提高增長(zhǎng)。“補(bǔ)充說，研究團(tuán)隊(duì)使用的高應(yīng)力技術(shù)可以通過納米工程來實(shí)現(xiàn)。

    他說：“這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于如何使納米氧化物材料在能量轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)能方面提高其催化效率，具有十分重要的意義。開發(fā)固體氧化物燃料電池和其他綠色能源技術(shù)非常重要，包括研發(fā)從二氧化碳或水中去制造清潔燃料的新途徑。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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