表面間質水素の原子イメージングとパラジウム水素化物の表面反応性の解明

Atomic Imaging of Subsurface Interstitial Hydrogen and Insights into Surface Reactivity of Palladium Hydrides.

• Bingqing Lin
• Xi Wu
• Lin Xie
• Yongqiang Kang
• Hongda Du
• Feiyu Kang
• Jia Li
• Lin Gan

抄録

金属水素化物の機械的・物理化学的特性を理解するためには、表面や界面に存在する水素原子間の位置を明らかにすることが重要である。パラジウム(Pd)水素化物は水素貯蔵や電気触媒の分野で重要な役割を果たしているが、パラジウム水素化物の表面近傍に存在する水素原子間の位置は未だに明らかにされていない。本研究では、収差補正走査型透過電子顕微鏡内の微分・積分型位相差を用いて、パラジウムナノ粒子中に吸収された水素原子を直接イメージングした最初の研究を報告する。これまでに確立されている八面体の水素の間質サイトとは対照的に、表面の水素原子は四面体の間質を占有していることが直接確認された。密度汎関数法による計算により、水素原子の量と占有タイプがPd表面の電子構造とそれに伴う化学反応性の微調整に不可欠な役割を果たしていることを示した。

Resolving interstitial hydrogen atoms at the surfaces and interfaces is crucial for understanding the mechanical and physicochemical properties of metal hydrides. Although palladium (Pd) hydrides hold important applications in hydrogen storage and electrocatalysis, the atomic position of interstitial hydrogen at Pd hydride near surfaces still remains undetermined. We report here the first direct imaging of subsurface hydrogen atoms absorbed in Pd nanoparticles by using differentiated and integrated differential phase contrast within aberration-corrected scanning transmission electron microscope. In contrast to the well-established octahedral interstitial sites for hydrogen in the bulk, subsurface hydrogen atoms are directly identified to occupy the tetrahedral interstices. Density functional theory calculations show that the amount and the occupation type of subsurface hydrogen atoms play an indispensable role in fine-tuning the electronic structure and associated chemical reactivity of the Pd surface.

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