催化剂是化学媒人：能把其他化学物质聚集在一起，增加了它们相互反应的机会，从而产生人们想要的东西，比如燃料或化肥。由于一些最好的催化剂材料也相当昂贵，比如汽车催化转化器中的铂，科学家们一直在寻找方法来减少它们的使用量。现在科学家们首次直接、详细地观察了单个原子如何催化化学反应。这个反应和从汽车尾气中去除有毒一氧化碳反应是一样的，单个的铱原子比含有50到100个原子的铱纳米粒子效率高25倍。弗吉尼亚理工大学Ayman M. Karim领导的研究小组在《自然催化》上发表了研究结果。
博科园-科学科普：该研究的作者之一、美国能源部(Department of Energy) SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的著名科学家西蒙r巴尔(Simon R. Bare)说：这些单原子催化剂现在是一个非常热门的话题，这给了我们一个新视角来观察反应，以及对它们如何运作的新见解。据我们所知，这是第一篇确定使单个原子具有催化活性的化学环境论文，直接确定了它与纳米粒子相比的活性，并表明它们在反应方式上有非常根本的区别——完全不同的机制。
更小真的好吗？是的
催化剂是化学工业的支柱，也是炼油的基础，在炼油过程中，催化剂有助于将原油分解成汽油和其他产品。今天的催化剂通常以纳米颗粒的形式附着在多孔的表面，就像海绵一样——充满了微小的孔洞，打开一克，就能覆盖一个篮球场。这就形成了一个巨大的区域，可以同时发生数百万次反应。当气体或液体流过海绵状表面时，化学物质附着在纳米颗粒上，彼此发生反应，然后飘散。每一种催化剂都是为了促进一种特定的反应而设计的。但是催化反应只发生在纳米颗粒的表面，即使它们是非常小的颗粒，纳米颗粒内部昂贵的金属也会被浪费掉。另一方面，单个原子可以提供最高的效率。
科学家们使用四种技术组合，以四束入射光束为代表，以前所未有的细节揭示了单个铱原子是如何催化化学反应的。图片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
每一个原子都可以充当催化剂，抓住化学反应物，把它们紧紧地粘在一起，直到它们结合在一起。可以在一个给定的空间里放入更多的金属，而不会浪费一点贵金属。单个原子还有另一个优势：不同于相互结合的原子簇，单个原子只附着在表面，因此它们有更多潜在的结合位点，可以进行化学反应——在这种情况下，这非常方便。对单原子催化剂的研究在过去几年中取得了突破性进展，但到目前为止，还没有人能够足够详细地研究它们是如何起作用的，从而看到整个过程中所有短暂的中间步骤。
寻求帮助
为了获得更多的信息，研究小组观察了一个简单的反应，在这个反应中，单个铱原子将氧分子一分为二，然后氧原子与一氧化碳反应生成二氧化碳。他们使用四种方法（红外光谱法、电子显微镜法、理论计算法和来自斯坦福同步辐射光源(SSRL)的x射线光谱法）从不同的角度来解决这个问题，这对获得完整的图像至关重要。这绝不是一个能给你完整答案的东西，它总是把拼图的多个部分拼在一起。研究小组发现，事实上，每个铱原子都有一种可以提高其性能的化学方法。
它从流动的气体中抓出一个一氧化碳分子并抓住它，就像一个人把一包东西塞在胳膊下面一样。这个键的形成触发了铱原子电子结构的微小变化，这有助于它分解氧，因此它可以与剩余的一氧化碳气体反应，并更有效地将其转化为二氧化碳。更多的问题还在前面：同样的机制是否也适用于其他催化反应，使它们在更低温度或更高的效率下运行？单原子催化剂的性质和它所处表面如何影响它与一氧化碳的结合以及反应进行方式？该团队计划于返回SSRL继续研究。
博科园-科学科普｜研究/来自：SLAC国家加速器实验室
Glennda Chui,SLAC National Accelerator Laboratory
参考期刊文献:《Nature Catalysis》
DOI: 10.1038/s41929-018-0192-4
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