材料科学：気体に依存する酸化物還元性の原子ダイナミクス

酸化物の還元を理解することは、金属生産、触媒反応、エネルギー技術の進歩に不可欠である。一酸化炭素（CO）と水素（H₂）は広く用いられている還元剤であるが、それらの作用機構は、類似していてどちらも格子酸素の除去が関与すると見なされることが多い。しかし、COをH₂に置き換えて二酸化炭素（CO₂）の排出を削減することへの関心が高まっているため、気体特異的な還元経路を識別することが極めて重要になっている。ところが、反応性気体の存在下と高温条件下でこうした原子スケールの過程を捉えることは、依然として困難である。今回我々は、気体–固体酸化還元反応の実時間原子分解能イメージングが可能な環境制御型透過電子顕微鏡法を用いて、酸化ニッケル（NiO）における気体依存性の酸化物還元ダイナミクスを直接可視化した。我々は、COが表面での核生成と金属Niアイランドの成長を駆動し、これが自己制限的な表面金属化につながることを示す。逆に、H₂は「表面からバルクへの」連動した変換を活性化し、解離したH₂からのプロトンが酸化物格子に侵入して表面で生成した酸素空孔の内部への移動を促進することで、バルク金属化を可能にする。これに対し、COによって形成された酸素空孔は表面近傍に閉じ込められたままであり、そこで金属Ni層を急速に形成することで、さらなる還元が抑制される。これらの結果は、COとH₂とでは原子レベルの経路が全く異なることを明らかにするとともに、冶金過程や触媒設計の指針となり得る知見をもたらす。

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