氢溢出正如其名。锚定在二氧化硅等热稳定性氧化物上的小金属纳米颗粒是催化剂的主要类别。催化剂是一种能加速化学反应而不会在反应过程中耗尽的材料。催化反应通常发生在具有反应活性且昂贵的金属上。然而，在某些情况下，氢原子等价物实际上会从金属溢出到氧化物上。这些氢-氧化物物种被称为"氢溢出"。

宾夕法尼亚州立大学化学工程与化学教授伯特-钱德勒（Bert Chandler）表示，这种奇异现象在 1964 年首次被描述，最近作为一种利用氢气生产清洁能源的潜在途径，它赢得了更多关注。这在很大程度上是因为，虽然研究人员近 60 年来一直能够识别氢溢出现象，但直到现在，还没有人能够对其进行量化并描述支撑这一现象的机制。

钱德勒说，宾夕法尼亚州立大学领导的一个研究小组凭借一些运气和大量工作，发现了氢溢出现象发生的方式和原因，并首次对这一过程进行了定量测量。他们在《自然-催化》（Nature Catalysis）杂志上发表了他们的研究成果。

钱德勒说，这项工作为更好地理解和开发氢的活化和储存提供了机会。传统的氢气储存需要大量的能量才能使氢气保持足够的冷却以保持液态。然而，研究团队利用他们独特的金-钛系统证明，他们可以在需要较少能量的较高温度下，有效、高效、可逆地将氢分子分解为氢原子--这是诱导氢溢出所需的过程。

该论文的通讯作者钱德勒说："我们现在能够解释氢溢出是如何工作的，为什么它能工作，以及是什么驱动了它。而且，我们第一次能够测量它--这是关键所在。一旦量化了它，你就能看到它是如何变化的，找出控制它的方法，并找出如何将它应用到新问题上。"

该示意图说明了类氢原子如何溢出金属并吸附到氧化钛上。资料来源：Bert Chandler/宾夕法尼亚州立大学提供

在氢溢出系统中，氢气发生反应分裂成氢原子等价物--一个质子和一个电子，但其排列方式与典型的排列方式略有不同。在这个系统中，质子附着在材料表面，而电子则进入半导体氧化物的近表面导带。钱德勒说，研究人员希望学会用它们来测试更先进的化学应用，比如将原子转化为清洁燃料和储氢。

钱德勒说："半导体这一块很重要，因为氢原子等价物的质子在表面，电子在次表面--它们仍然靠近在一起，但被导电表面隔开了，"他解释说，这种小的分离避免了电荷分离通常需要的巨大能量损失。"对于几乎所有的吸附系统来说，你必须有有利的热吸附才能克服通过吸附将气体分子吸入固体所需的能量损失。这在熵上是不利的。"

熵代表了推动一个过程所需的不可用热能。换句话说，熵是能量向子态的分散，就像冰融化成水时，无法获得保持分子固态的能量一样。钱德勒说，能量需要平衡，而在这些系统中，测量熵对平衡的贡献几乎是不可能的。

氢溢出是 1964 年在铂-钨-氧化物系统中首次发现的，此后在不同的系统中也观察到了氢溢出。钱德勒解释说，直到最近，研究人员还认为氢原子等价物与纳米粒子层结合牢固，需要更多的热能来打破这些结合，产生更多的溢出。然而，大多数氢溢出促进系统都很混乱，因为溢出物与纳米粒子和半导体氧化物基底的键合强度可能会出现变化。钱德勒将这种现象称为"模糊吸附"，描述了这种模糊的粘性结合，它掩盖了真正的吸附，并掩盖了驱动溢出的因素：热能或熵。

钱德勒说："我们想出了在另一个系统中测量溢出吸附的方法：氧化钛上的金。金几乎不需要热能就能启动与氢的反应，而且它只在与氧化钛基质的界面上激活反应。这意味着氢不会吸附在金上，因此我们可以量化产生的所有溢出物，因为它们都流向了基底，而不会在金上留下任何咝咝声。"

没有了"咝咝声"，研究人员意识到吸附力很弱，这"与大家的认知背道而驰"。在没有热能这个重要变量的情况下，研究人员确定只有熵能驱动原子从金转移到基底上。

以前的研究人员可以准确测量吸附量，因为氧化物上的弱吸附掩盖了金属的溢出量。研究人员没有发明新的化学方法，只是收集了数据。足足花了六年时间进行测量和重新测量，从而填补了认识上的这个空白：熵驱动氢溢出。

研究人员说，他们现在正计划研究有助于更好地储存氢气的材料类型。钱德勒认为，这项工作是向清洁能源开发迈出的一步，也是科学过程如何发挥作用的一个突出例子。

钱德勒说："科学是一个自我修正的过程--如果你发现了一些不合理的地方，你就会努力把它搞清楚。我们很早就知道溢出效应，但没有人找到合适的系统来量化和理解它。我们收集了数据，并找出了解释这一现象的方法。事实证明，我们使用的能量平衡并不总是显而易见的，熵可以驱动我们意想不到的事情。"