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在原子尺度上研究氧化物表面的催化氫化反應(yīng)一直具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些過(guò)程通常發(fā)生在環(huán)境或高壓下，使得它們比原子尺度的技術(shù)更難實(shí)現(xiàn)。

基于此，上?？萍即髮W(xué)楊帆副教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李微雪教授等人報(bào)道了使用環(huán)境壓力掃描隧道顯微鏡（AP-STM），環(huán)境壓力X射線(xiàn)光電子能譜和密度泛函理論（DFT）計(jì)算對(duì)ZnO上H₂解離和CO/CO₂加氫的原子尺度研究。300 K時(shí)CO或CO₂在ZnO表面的存在不會(huì)阻礙H₂解離的表面位點(diǎn)的可用性，而CO甚至可以增強(qiáng)共吸附氫化物的穩(wěn)定性，從而促進(jìn)它們的解離吸附。

楊帆/李微雪JACS：環(huán)境條件下ZnO上H2離解和COx加氫的原子尺度可視化

通過(guò)密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，CO₂與氫化物在表面Zn_3c位點(diǎn)上鍵合，可很容易地形成甲酸態(tài)。CO₂與氫化物的結(jié)合能壘低至0.30 eV，反應(yīng)能為0.09 eV。

形成的甲酸鹽物種通過(guò)Zn-O鍵以單鏈構(gòu)型（HCOO_m*）結(jié)合在Zn_3c位點(diǎn)上，再通過(guò)兩個(gè)Zn-O鍵（HCOO_b*）翻轉(zhuǎn)與兩個(gè)Zn_3c位點(diǎn)形成雙牙齒配位，從而發(fā)生結(jié)構(gòu)弛緩，放熱強(qiáng)度為-1.35 eV，勢(shì)壘為0.21 eV。結(jié)果表明，CO₂和H₂在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上都有利于甲酸鹽的生成。

DFT計(jì)算結(jié)果表明，首先CO與氫化物結(jié)合形成HCO*，吸熱0.06 eV，能壘0.61 eV，然后形成的HCO*與表面晶格O進(jìn)一步反應(yīng)形成三齒構(gòu)型（HCOO_L*），能壘為1.06 eV，反應(yīng)能為-0.39 eV。HCO*的勢(shì)壘較低，更傾向于反向解離成CO和氫化物，因此CO很難直接氫化生成甲酸鹽。

CO在ZnO(1010)上加氫為以下兩步機(jī)制：CO首先在ZnO(1010)的?0001?步驟被氧化成CO₂；生成的CO₂在ZnO(1010)平臺(tái)上擴(kuò)散，與氫化物反應(yīng)生成甲酸鹽。

Atomic-Scale Visualization of Heterolytic H₂ Dissociation and CO_x Hydrogenation on ZnO under Ambient Conditions. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c08085.

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