钯（Palladium）是一种独特的金属元素，可以迅速将氢和氧转化为水。这个显著的过程首次在纳米尺度上通过电子显微镜观察到。通过高精度观察，研究人员找到了加速这一过程以更快产生水的方法。这种方法有可能在干旱地区提供按需水源，包括其他星球上的地点。
在一项开创性研究中，研究人员实时观察到了氢和氧原子的融合，形成微小的纳米级水泡。
这一令人兴奋的事件是西北大学最近调查的一部分，科学家们旨在更好地了解钯这种稀有金属元素如何催化气体反应以生成水。通过在纳米尺度上观察这一过程，西北大学的研究团队揭示了其背后的机制，并开发了加速这一过程的新技术。
由于这种反应可以在温和条件下发生，研究人员相信它可以成为迅速在干旱地区（包括外星环境）生产水的可行解决方案。
研究结果将在9月27日即将出版的《美国国家科学院院刊》上发表。
“通过在纳米尺度上视觉监测水的生成，我们能够确定在正常情况下快速产生水的最佳条件，”西北大学的研究的资深作者Vinayak Dravid解释道。“这些见解对实际应用具有深远影响，例如在外太空快速生成水，使用气体和金属催化剂，而无需极端条件。”
“考虑一下马特·达蒙在《火星救援》中饰演的角色马克·沃特尼，他使用火箭燃料产生氢气，然后用他的氧气发生器补充氧气。我们的方法类似，但我们消除了火和其他极端条件的需求，我们只是将钯和气体混合，”Dravid补充道。
Dravid是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程的亚伯拉罕·哈里斯教授，也是西北大学原子与纳米尺度表征实验中心（NUANCE）的创始主任，研究即是在这里进行的。他还是国际纳米技术研究所全球项目的主任。
新技术促成发现
自20世纪初以来，钯被认为可以作为催化剂快速产生水。然而，这一反应如何发生的细节仍然不清晰。
“这是一种众所周知的现象，但从未被完全理解，”研究的首席作者、Dravid实验室的博士候选人Yukun Liu表示。“真正的理解需要直接可视化水的生成，并在原子水平上进行详细的结构分析，以揭示反应的复杂性及如何改进它。”
然而，以原子级精度观察这一过程在之前是无法实现的——直到九个月前。2024年1月，Dravid的团队引入了一种开创性的方法来实时分析气体分子。他们制造了一种超薄玻璃膜，可以在六边形形状的纳米反应器中捕获气体分子，从而能够在高真空透射电子显微镜中进行检查。
这种新技术在《科学进展》上详细介绍，使研究人员能够以仅0.102纳米的分辨率研究在大气气压下的样品，这一分辨率相比其他当代技术提供的0.236纳米分辨率有了显著提升。这一进展还允许同时分析光谱和倒数信息。
“借助超薄膜，我们正在从样品中提取更详细的信息，”《科学进展》论文的第一作者、NUANCE中心的研究副助理Kunmo Koo说道，他在研究副教授胡晓兵的指导下进行研究。“否则，厚容器会妨碍分析。”
有史以来最小的水泡
利用这种创新技术，Dravid、Liu和Koo研究了涉及钯的反应。最初，他们观察到氢原子渗透钯并扩展其正方形晶格结构。然而，当他们目睹钯表面形成微小水泡时，他们感到震惊。
“我们认为这可能是史上直接观察到的最小水泡，”Liu表示。“这一发现是意外的。幸运的是，我们正在拍摄视频，这让我们能够证明我们不是在幻想。”
“我们最初对此表示怀疑，”Koo补充道。“我们需要进行进一步的调查，以确认形成的确实是水。”
团队利用电子能量损失光谱法对水泡进行特征分析。通过分析散射电子所损失的能量，他们识别出与水特定的氧键合特性，从而确认泡沫确实是水。他们进一步通过加热水泡来检查其沸点，以验证这一发现。
“这个过程类似于Chandrayaan-1月球探测器实验，该实验试图在月球土壤中寻找水的证据，”Koo解释道。“在探索月球时，它利用光谱法识别大气和表面的分子。我们采用了类似的光谱方法，以确定生成的产品是否为水。”
优化配方
在确认钯反应能够产生水后，研究团队着手优化该方法。他们测试了在不同时间添加氢气和氧气，或者将它们混合在一起，以观察哪种顺序产生最快的水生成速率。
Dravid、Liu和Koo发现，先引入氢气，再引入氧气，可以导致最快的反应。由于氢原子体积微小，能够渗透到钯原子的间隙中，使金属膨胀。当钯充满氢时，他们引入氧气。
“氧原子容易附着在钯表面，但它们的体积限制了它们进入晶格的能力，”Liu指出。“如果我们先注入氧气，其解离原子会覆盖钯的表面，限制氢的附着和触发反应。然而，通过事先在钯中储存氢气，然后再添加氧气，反应开始。氢从钯中逸出与氧气反应，使钯收缩回原来的形状。”
为深空建立可持续系统
西北大学的研究团队设想了一个未来，旅行者可以在开展太空任务之前准备充满氢气的钯。为了生产饮用水或植物浇水，他们只需引入氧气。尽管本研究集中在微小水泡的生成上，但更大的钯片可以产生显著更大的水量。
“虽然钯看起来可能成本较高，但它是可回收的，”Liu解释道。“我们的方法不会消耗钯。唯一消耗的资源是气体，而氢是宇宙中最丰富的气体。在反应后，钯可以被多次重复使用。”
该研究标题为“通过原位电子显微镜揭示钯表面吸附限制的氢氧化反应”，得到了空军科学研究办公室（资助号AFOSR FA9550-22-1-0300）的支持，并得到了美国能源部科学办公室支持的氢能与信息科学中心的氢相关倡议资助（资助号DE-SC0023450）。
