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氢氧化反应（HOR）是燃料电池等能源转化设备中的核心反应，其效率直接影响能源转化的速度和成本。尽管铂族金属催化剂在氢氧化反应中表现优异，但其高温高压条件下的催化机理尚未完全了解。此次研究通过高精度的速度分辨动力学和密度泛函理论（DFT）分析，揭示了钯催化剂在高温氢氧化反应中的协同吸附机制，即多个氧原子在钯催化表面的合作吸附增强了反应活性。这一发现不仅为钯基催化剂在高温条件下的优化提供了思路，还为其他催化体系的设计提供了借鉴。
成果简介
研究发现，在钯催化表面的氧原子以协同的方式进行吸附，并形成“活性构型”，加速了氢氧化反应过程。具体而言，两个氧原子会招募第三个氧原子至相邻位点，从而形成一个高反应性的构型，使得氢氧化反应的速率在氧气富集的条件下显著提高。实验数据和DFT计算结果表明，该活性构型在高温和高氧覆盖度下具有更低的反应能垒。
研究亮点
协同吸附效应的揭示：首次发现了氧原子在钯表面的协同吸附机制，为理解铂族金属催化剂的高温催化行为提供了新视角。
高反应性活性构型：多个氧原子协同形成的活性构型极大提升了氢氧化反应速率，在氧气富集条件下表现出显著的活性提升。
理论计算与实验验证：密度泛函理论计算和速度分辨动力学实验相结合，有力地验证了氧原子协同吸附对反应速率的影响。
配图精析
图1：展示了在氧气富集和贫氧条件下，钯表面的水生成速率随温度和表面覆盖度的变化。实验结果表明，在氧气富集条件下，水生成速率随表面氧覆盖度增加而显著提高。
图2：DFT计算揭示了氧原子在钯表面上的协同吸附行为。不同覆盖度下，氧原子在钯的阶梯位点处的吸附方式发生变化，表现出协同效应。
图3：展示了在钯(332)表面上，协同吸附的氧原子形成的活性构型如何降低氢氧化反应的能垒，进而加速反应过程。
图4：实验与理论的对比结果显示，在氧气富集条件下，协同吸附的活性构型使得水生成速率显著加快，验证了协同吸附对催化活性的影响。
图5：有效速率常数与氢、氧覆盖度的关系图表明，氧气富集条件下的有效速率常数随氧原子覆盖度的增加呈现非线性增长，进一步证明了协同吸附的活性构型的存在。
展望
本研究揭示了高温条件下钯催化剂表面氧原子的协同吸附机制，通过实验和理论相结合，深入理解了这一机制对氢氧化反应速率的影响。未来研究将致力于拓展该协同吸附策略至其他催化体系，以优化催化剂在不同反应环境中的性能。
文献信息
期刊：Science
DOI：10.1126/science.adk1334
原文链接：https://doi.org/10.1126/science.adk1334
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