這種二氧化鈰超薄膜的透射電子顯微鏡的圖像顯示，單個原子（以點表示）在強烈的壓力下會發生移動。圖片來源：Sang Chul Lee

    據美國斯坦福大學和SLAC國家加速器實驗室的科學家們最新研究發現：少量的擠壓或微小的拉伸可以大大地提高催化性能。

    科學家的這一新發現曾于5月18日在Nature Communications上發表，文章重點介紹了一種名為氧化鈰或二氧化鈰的工業催化劑，這些催化劑通常是一種用于催化轉化器、自清潔爐和各種綠色能源應用中的海綿材料，如用在燃料電池和太陽能分水器中。

    該研究的作者之一Will Chueh是斯坦福大學材料科學與工程的一名助理教授，也是SLAC實驗室的一名教授，他說：“氧化鈰就像海綿一樣，能夠根據需要來儲存和釋放氧氣。我們發現僅僅對二氧化鈰拉伸或壓縮幾個百分比，就顯著提高了其儲氧能力，這一結果也推翻了對于常規氧化物材料的傳統觀點，有望制備出性能更好的催化劑。

    催化轉化器

    目前二氧化鈰早已被用于催化轉化器中，因為其有助于從車輛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，從而將氮氧化物轉化為無毒的氮氣。然后二氧化鈰會釋放儲存的氧氣，被釋放的氧氣再被用于將致命的一氧化碳轉化為良性二氧化碳。“研究表明，對二氧化鈰進行擠壓和拉伸會造成其納米尺度的變化，從而影響其存儲氧氣的能力。

    此研究的共同作者、現任賓夕法尼亞大學SLAC的前職員科學家、這項工作的計算方面的負責人Aleksandra Vojvodic說：”二氧化鈰的儲氧能力對于其作為催化劑所能擁有的有效性的大小來講是至關重要的。基于以前的研究，目前的理論預期是：拉伸二氧化鈰將增加其儲存氧氣的能力，而壓縮則會降低二氧化鈰儲存氧氣的能力。

    為了去測驗這一預測是否正確，研究團隊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。這種巨大的壓力導致二氧化鈰分子發生分離，并擠壓在一個小于一納米的距離上。

    驚喜結果

    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果卻顯示出了令人驚喜的發現。

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

    為了測量現實世界操作條件下的應力影響，研究人員利用勞倫斯伯克利國家實驗室的先進光源產生的X光照射光束，分析了二氧化鈰樣品。

    結果更令人驚訝，Gopal表示：”我們發現，應變薄膜的二氧化鈰儲氧能力提高了四倍。不管你是拉伸還是壓縮它，都會得到非常相似的結果，即儲氧能力得到提高增長。“補充說，研究團隊使用的高應力技術可以通過納米工程來實現。

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

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責任編輯：殷鵬飛

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