最新研究表明：單個原子可製造出更有效的催化劑！
催化劑是化學媒人：能把其他化學物質聚集在一起，增加了它們相互反應的機會，從而產生人們想要的東西，比如燃料或化肥。由於一些最好的催化劑材料也相當昂貴，比如汽車催化轉化器中的鉑，科學家們一直在尋找方法來減少它們的使用量。現在科學家們首次直接、詳細地觀察了單個原子如何催化化學反應。這個反應和從汽車尾氣中去除有毒一氧化碳反應是一樣的，單個的銥原子比含有50到100個原子的銥納米粒子效率高25倍。弗吉尼亞理工大學Ayman M. Karim領導的研究小組在《自然催化》上發表了研究結果。
博科園-科學科普：該研究的作者之一、美國能源部(Department of Energy) SLAC國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)的著名科學家西蒙r巴爾(Simon R. Bare)說：這些單原子催化劑現在是一個非常熱門的話題，這給了我們一個新視角來觀察反應，以及對它們如何運作的新見解。據我們所知，這是第一篇確定使單個原子具有催化活性的化學環境論文，直接確定了它與納米粒子相比的活性，並表明它們在反應方式上有非常根本的區別——完全不同的機制。
更小真的好嗎？是的
催化劑是化學工業的支柱，也是煉油的基礎，在煉油過程中，催化劑有助於將原油分解成汽油和其他產品。今天的催化劑通常以納米顆粒的形式附著在多孔的表面，就像海綿一樣——充滿了微小的孔洞，打開一克，就能覆蓋一個籃球場。這就形成了一個巨大的區域，可以同時發生數百萬次反應。當氣體或液體流過海綿狀表面時，化學物質附著在納米顆粒上，彼此發生反應，然後飄散。每一種催化劑都是為了促進一種特定的反應而設計的。但是催化反應只發生在納米顆粒的表面，即使它們是非常小的顆粒，納米顆粒內部昂貴的金屬也會被浪費掉。另一方面，單個原子可以提供最高的效率。
每一個原子都可以充當催化劑，抓住化學反應物，把它們緊緊地粘在一起，直到它們結合在一起。可以在一個給定的空間里放入更多的金屬，而不會浪費一點貴金屬。單個原子還有另一個優勢：不同於相互結合的原子簇，單個原子只附著在表面，因此它們有更多潛在的結合位點，可以進行化學反應——在這種情況下，這非常方便。對單原子催化劑的研究在過去幾年中取得了突破性進展，但到目前為止，還沒有人能夠足夠詳細地研究它們是如何起作用的，從而看到整個過程中所有短暫的中間步驟。
尋求幫助
為了獲得更多的信息，研究小組觀察了一個簡單的反應，在這個反應中，單個銥原子將氧分子一分為二，然後氧原子與一氧化碳反應生成二氧化碳。他們使用四種方法（紅外光譜法、電子顯微鏡法、理論計演算法和來自斯坦福同步輻射光源(SSRL)的x射線光譜法）從不同的角度來解決這個問題，這對獲得完整的圖像至關重要。這絕不是一個能給你完整答案的東西，它總是把拼圖的多個部分拼在一起。研究小組發現，事實上，每個銥原子都有一種可以提高其性能的化學方法。
它從流動的氣體中抓出一個一氧化碳分子並抓住它，就像一個人把一包東西塞在胳膊下面一樣。這個鍵的形成觸發了銥原子電子結構的微小變化，這有助於它分解氧，因此它可以與剩餘的一氧化碳氣體反應，並更有效地將其轉化為二氧化碳。更多的問題還在前面：同樣的機制是否也適用於其他催化反應，使它們在更低溫度或更高的效率下運行？單原子催化劑的性質和它所處表面如何影響它與一氧化碳的結合以及反應進行方式？該團隊計劃於返回SSRL繼續研究。
博科園-科學科普｜研究/來自：SLAC國家加速器實驗室
Glennda Chui, SLAC National Accelerator Laboratory參考期刊文獻:《Nature Catalysis》DOI: 10.1038/s41929-018-0192-4博科園-傳遞宇宙科學之美
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