BESSY II揭示铜早期氧化过程：为催化剂研发和核废料终处置容器腐蚀研究提供依据

德国BESSY II同步辐射装置近日为铜表面早期氧化过程提供了新的实验认识。研究显示，在纯铜氧化物形成之前，铜和氧原子会先构成复杂的表面超结构，例如“29”CuₓO。这类结构的化学状态长期存在争议，对催化剂研究以及用于放射性废物终处置的铜容器腐蚀防护研究均具有参考价值。

在纯氧化铜形成之前，会出现由铜原子和氧原子构成的复杂超结构——例如“29”CuxO。HZB

在日常环境中，铜表面会逐渐失去红色金属光泽，并形成一层带绿色的氧化层。该层结构可在较长时间内减缓进一步腐蚀。围绕这一过程的最初阶段，研究人员关注的核心问题是：氧进入铜表面后，铜原子到底在多大程度上被氧化。由于传统光谱方法难以清晰区分纯铜与部分氧化表面的差异，此前相关氧化态难以直接测定。

由Alexander Föhlisch教授领导的研究团队利用BESSY II上的俄歇-光电子符合谱(APECS)开展测量。该方法具有很高的表面敏感性，使研究人员能够更明确地区分不同化学状态。

结果显示，在已知的“29”表面氧化物中，铜原子仍非常接近金属态，其氧化态仅约为0.3。换言之，尽管表面含有较高浓度的氧，但其电子状态更接近金属铜，而不是氧化亚铜(Cu₂O)。研究人员还识别了构成保护性表面氧化物的氧物种分布。该结果表明，表面氧含量并不能直接决定铜原子的氧化程度。

这一发现可为两个方向提供基础数据。一方面，铜常用于二氧化碳还原、甲醇合成和氧化反应等催化过程。许多活性位点并非完全氧化的CuO、Cu₂O或纯金属，而是部分氧化表面。如果这些表面在电子结构上接近金属态，将有助于解释其不同于纯氧化物的活性和选择性。另一方面，对铜表面腐蚀机制的更精细认识，也有助于支持乏燃料组件终处置用铜容器的安全性研究。

据介绍，该研究实验在乌普萨拉—柏林联合实验室框架下，于BESSY II的UE52-PGM光束线CoESCA终端完成;相关第一性原理计算得到瑞典斯德哥尔摩大学合作团队支持。