氫溢出正如其名。錨定在二氧化矽等熱穩定性氧化物上的小金屬納米顆粒是催化劑的主要類別。催化劑是一種能加速化學反應而不會在反應過程中耗盡的材料。催化反應通常發生在具有反應活性且昂貴的金屬上。然而，在某些情況下，氫原子等價物實際上會從金屬溢出到氧化物上。這些氫-氧化物物種被稱為”氫溢出”。

賓夕法尼亞州立大學化學工程與化學教授伯特-錢德勒（Bert Chandler）表示，這種奇異現像在1964 年首次被描述，最近作為一種利用氫氣生產清潔能源的潛在途徑，它贏得了更多關注。這在很大程度上是因為，雖然研究人員近60 年來一直能夠識別氫溢出現象，但直到現在，還沒有人能夠對其進行量化並描述支撐這一現象的機制。

錢德勒說，賓夕法尼亞州立大學領導的一個研究小組憑藉一些運氣和大量工作，發現了氫溢出現象發生的方式和原因，並首次對這一過程進行了定量測量。他們在《自然-催化》（Nature Catalysis）雜誌上發表了他們的研究成果。

錢德勒說，這項工作為更好地理解和開發氫的活化和儲存提供了機會。傳統的氫氣儲存需要大量的能量才能使氫氣保持足夠的冷卻以保持液態。然而，研究團隊利用他們獨特的金-鈦系統證明，他們可以在需要較少能量的較高溫度下，有效、高效、可逆地將氫分子分解為氫原子–這是誘導氫溢出所需的過程。

該論文的通訊作者錢德勒說：”我們現在能夠解釋氫溢出是如何工作的，為什麼它能工作，以及是什麼驅動了它。而且，我們第一次能夠測量它–這是關鍵所在。一旦量化了它，你就能看到它是如何變化的，找出控制它的方法，並找出如何將它應用到新問題上。”

該示意圖說明了類氫原子如何溢出金屬並吸附到氧化鈦上。資料來源：Bert Chandler/賓夕法尼亞州立大學提供

在氫溢出系統中，氫氣發生反應分裂成氫原子等價物–一個質子和一個電子，但其排列方式與典型的排列方式略有不同。在這個系統中，質子附著在材料表面，而電子則進入半導體氧化物的近表面導帶。錢德勒說，研究人員希望學會用它們來測試更先進的化學應用，比如將原子轉化為清潔燃料和儲氫。

錢德勒說：”半導體這一塊很重要，因為氫原子等價物的質子在表面，電子在次表面–它們仍然靠近在一起，但被導電錶面隔開了，”他解釋說，這種小的分離避免了電荷分離通常需要的巨大能量損失。”對於幾乎所有的吸附系統來說，你必須有有利的熱吸附才能克服通過吸附將氣體分子吸入固體所需的能量損失。這在熵上是不利的。”

熵代表了推動一個過程所需的不可用熱能。換句話說，熵是能量向子態的分散，就像冰融化成水時，無法獲得保持分子固態的能量一樣。錢德勒說，能量需要平衡，而在這些系統中，測量熵對平衡的貢獻幾乎是不可能的。

氫溢出是1964 年在鉑-鎢-氧化物系統中首次發現的，此後在不同的系統中也觀察到了氫溢出。錢德勒解釋說，直到最近，研究人員還認為氫原子等價物與納米粒子層結合牢固，需要更多的熱能來打破這些結合，產生更多的溢出。然而，大多數氫溢出促進系統都很混亂，因為溢出物與納米粒子和半導體氧化物基底的鍵合強度可能會出現變化。錢德勒將這種現象稱為”模糊吸附”，描述了這種模糊的粘性結合，它掩蓋了真正的吸附，並掩蓋了驅動溢出的因素：熱能或熵。

錢德勒說：”我們想出了在另一個系統中測量溢出吸附的方法：氧化鈦上的金。金幾乎不需要熱能就能啟動與氫的反應，而且它只在與氧化鈦基質的界面上激活反應。這意味著氫不會吸附在金上，因此我們可以量化產生的所有溢出物，因為它們都流向了基底，而不會在金上留下任何噝噝聲。”

沒有了”噝噝聲”，研究人員意識到吸附力很弱，這”與大家的認知背道而馳”。在沒有熱能這個重要變量的情況下，研究人員確定只有熵能驅動原子從金轉移到基底上。

以前的研究人員可以準確測量吸附量，因為氧化物上的弱吸附掩蓋了金屬的溢出量。研究人員沒有發明新的化學方法，只是收集了數據。足足花了六年時間進行測量和重新測量，從而填補了認識上的這個空白：熵驅動氫溢出。

研究人員說，他們現在正計劃研究有助於更好地儲存氫氣的材料類型。錢德勒認為，這項工作是向清潔能源開發邁出的一步，也是科學過程如何發揮作用的一個突出例子。

錢德勒說：”科學是一個自我修正的過程–如果你發現了一些不合理的地方，你就會努力把它搞清楚。我們很早就知道溢出效應，但沒有人找到合適的系統來量化和理解它。我們收集了數據，並找出了解釋這一現象的方法。事實證明，我們使用的能量平衡並不總是顯而易見的，熵可以驅動我們意想不到的事情。”