在冶金工业和能源催化领域，如何高效、低碳地还原金属氧化物以获得纯净金属，一直是全球科学界与工业界关注的核心问题。传统工艺多依赖一氧化碳等碳基还原剂，但这一过程不仅能效有限，还会排放大量二氧化碳，加剧气候变化压力。氢气因其清洁特性被视为潜在的替代方案，但人们普遍认为氢气和一氧化碳在氧化物还原过程中机理类似。

近日，美国纽约州立大学宾汉姆顿分校的周光文教授团队通过原位环境透射电镜、同步辐射光谱学和第一性原理计算，在原子尺度揭示了两种还原剂的本质差异。2025年8月20日，相关成果以“Atomic dynamics of gas-dependent oxide reducibility”为题，发表在Nature期刊上。论文通讯作者是周光文教授，第一作者为陈晓波博士与王健宇博士。

研究团队利用原位环境电镜直接观察到，一氧化碳与氧化镍表面的晶格氧反应，迅速生成金属镍与二氧化碳。然而，随着金属镍逐渐在表面成核和长大，最终形成了一层致密的镍“外壳”。图1显示了在一氧化碳环境中，氧化镍表面逐渐被金属镍覆盖的动态过程。这一金属外壳阻碍了一氧化碳与氧化物深层晶格氧的接触，使得反应停滞。从而导致还原过程速率显著下降，并且需要更高的温度和能耗才能维持反应。与此同时，这一过程会持续释放二氧化碳，加剧环境负担。

图1：原位环境电镜观察一氧化碳还原氧化镍。

相比之下，当以氢气作为还原剂时，原位环境电镜观察（图2）显示，氢气与氧化镍表面氧反应生成水分子，并在表面形成氧空位进一步向体相迁移，从而在氧化物内部促进金属生成。更为关键的是，氧化物表面仍保持完整与活性，确保了还原过程的持续性。进一步研究阐明，氢质子能够加速氧空位扩散，并可能通过内部氧原子的逆向迁移实现表面再生，展现出一定的“自修复”特性。这一机制不仅加快了还原反应过程，还延长了催化剂的使用寿命，为实现更加绿色高效的金属提取提供了新的可能。

图2：原位环境电镜观察一氢气还原氧化镍。

为了进一步验证反应机理，研究团队结合同步辐射X射线衍射、近常压光电子能谱和质谱分析，揭示了氢气与一氧化碳在动力学过程中的本质区别：一氧化碳表现为“前期快速还原、后期表面钝化”；氢气则表现为“前期缓慢孕育、后期快速相变”。此外，基于密度泛函理论的计算结果（图3）表明，氢质子的参与可以显著降低氧空位扩散能垒，并促进氧空位的配对反应。这一计算结果与原位电镜观察到的现象高度吻合，进一步印证了氢气独特的“绿色还原”机理。

图3：基于密度泛函理论的氧空位扩散能垒与空位配对能计算结果。

这项工作在原子尺度上揭示了一氧化碳和氢气在金属氧化物还原过程中的根本机理差异，打破了人们对氢气与一氧化碳作用“等效”的传统认知。研究结果为冶金工业的绿色转型和能源催化剂设计提供了新思路，并为开发低碳、高效、可持续的金属提取与循环利用工艺奠定了坚实的科学基础。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09394-0