北京
新测得的表面态或有助于解释部分氧化的铜作为催化剂时为何表现不同。
科学家发现，氧化最初阶段在铜表面形成的富氧层，其行为与金属铜的相似程度远超此前预期。
这一发现可能帮助研究人员更好地理解铜的腐蚀过程，并有望改进催化剂以及用于长期储存乏核燃料的铜容器的设计。
铜不寻常的早期氧化
铜暴露于氧气中会逐渐形成氧化层，最终产生老铜屋顶上常见的绿色铜锈。但在Cu₂O等常规铜氧化物形成之前，铜表面可能生成由铜原子和氧原子组成的更复杂结构。
其中一种被称为“29”表面氧化物的结构一直令科学家感到困惑。研究人员知道它含有高浓度的氧，但常规光谱技术难以确定其中铜原子本身究竟被氧化到了何种程度。
由Alexander Föhlisch教授领导的研究团队如今利用BESSY II的俄歇光电子符合谱技术直接测量了这些化学态。
研究人员发现，“29”表面氧化物中铜原子的氧化态仅为约0.3。尽管表面存在大量氧，这一数值却远远更接近金属铜，而非常规铜氧化物。
“这令人惊讶，也着实非同寻常，因为表面的氧浓度非常高。”负责测量的Swarnshikha Sinha说道。
该团队还确定了不同氧物种在保护性表面层中的分布方式，为铜氧化的最初阶段提供了更细致的图景。研究结果发表在《美国化学会志》上。
该发现对催化剂为何重要
铜作为催化剂被广泛研究，用于包括二氧化碳还原、甲醇合成和氧化在内的多种化学反应。在许多催化过程中，最重要的活性位点可能并非完全由纯铜或CuO、Cu₂O等完全氧化的化合物构成。
相反，部分氧化的表面可以具有独特的电子性质，影响分子与其相互作用的方式。新的测量结果表明，某些富氧铜表面在电子性质上仍可保持接近金属铜的状态。因此，理解这种中间态可能有助于研究人员设计活性和选择性控制更为精确的催化剂。
科学家在设计催化材料时，或许不再仅仅将铜表面简单地划分为“金属态”或“氧化态”，而是能够考虑更微妙的中间结构。
核废料储存的线索
这一发现还可能增进对铜在更长时间尺度上腐蚀行为的理解。在某些拟议的地质处置系统中，铜因其耐腐蚀性而被考虑用作隔离乏核燃料的容器材料。因此，铜表面形成的保护性氧化层对于理解此类容器在长期使用中的表现至关重要。
这项研究为这一基本化学过程提供了更详细的图景，有助于评估此类材料。确切了解氧化最初阶段发生的变化，可以帮助研究人员建立更精确的铜表面化学和腐蚀模型。
研究人员表示，他们的结果表明，表面氧含量的多少并不一定代表底层铜原子被氧化的程度。这一区分在需要控制铜表面化学的任何领域都可能具有实用价值——从开发选择性更高的催化剂，到预测铜在严苛长期环境中的行为。
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