科學人／太空旅行水資源有解？揭開強大催化劑「鈀」憑空造水的謎團

從鈀奈米立方體上方產生的水泡，大小約爲50奈米。圖／Liu, Yukun, et al.Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024

在乾燥地帶有辦法憑空生出水嗎？西北大學（Northwestern University）的研究團隊首次在奈米尺度上，即時觀察到了氫與氧結合生成奈米水泡的過程。這項劃時代的發現不僅幫助我們更深入理解水生成的機制，還有可能爲太空旅行中的水資源管理提供新思路。研究成果已發表於《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）

鈀催化反應的秘密揭曉

自20世紀初以來，科學家們早就知道鈀是一種強大的催化劑，能夠促使氫和氧結合生成水，但這個過程到底是如何發生的，一直沒有人能清楚說明。這次研究的第一作者劉宇坤（Yukun Liu）表示，儘管這現象衆所周知，但要真正瞭解並優化反應，必須能在原子尺度上直接觀察水的生成過程。

研究團隊開發出一種超薄玻璃膜，將氣體分子封裝在蜂巢狀的奈米反應器內，並且能夠在高真空透射電子顯微鏡下，以前所未有的精度觀察這些分子的活動。相較於以往0.236奈米的觀察極限，這項技術的分辨率高達0.102奈米，使得科學家們能夠直接觀察鈀催化氫氧氣體生成水的過程。

史上最小的水泡

使用這項新技術，研究團隊觀察到了鈀的反應過程。首先，氫原子進入鈀的晶格中，導致其晶格膨脹。接着，科學家們看到鈀表面出現微小水泡！團隊使用電子能量損失光譜（electron energy loss spectroscopy）進行進一步分析，並加熱這些泡沫來測量沸點，確認這些泡沫確實是由水分子組成。

劉宇坤錶示：「這可能是人類史上看到的最小水泡！」

深空中的水資源救星

西北大學的研究團隊認爲，未來太空旅行者可以攜帶充滿氫的鈀材料，當需要水時，只需加入氧氣即可快速生成飲用水或用於植物灌溉的水。這個過程不需要極端條件，完全適用於深空探索，甚至可以持續回收利用鈀材料，極具可持續性。

劉宇坤補充：「鈀雖然看似昂貴，但它是可回收的，唯一會消耗的只有氣體。而氫可是宇宙中最豐富的氣體之一。」

資料來源：

1. Researchers witness nanoscale water formation in real time

2. Liu, Yukun, et al. "Unraveling the adsorption-limited hydrogen oxidation reaction at palladium surface via in situ electron microscopy." Proceedings of the National Academy of Sciences 121.40 (2024): e2408277121.

延伸閱讀

（本文出自2024.10.04《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）