科学家们专注于提高催化剂活性的原子对

出于经济和环境原因，科学家们的首要任务是用更便宜、更有效的材料代替在催化转化器中分解废气的昂贵金属。催化剂需要进行原本不会发生的化学反应，例如将汽车尾气中的污染气体转化为可以释放到环境中的清洁化合物。为了改进它们，研究人员需要更深入地了解它们的催化剂是如何工作的。

现在，斯坦福大学和能源部 SLAC 国家加速器实验室的一个团队已经准确地确定了钯和铂纳米粒子中的哪些原子对(转换器中常用的组合)在分解这些气体方面最活跃。

他们还回答了一个让催化剂研究人员感到困惑的问题：为什么较大的催化剂颗粒有时比较小的催化剂效果更好，而您的预期正好相反?答案与粒子在反应过程中改变形状的方式有关，从而产生更多的高活性位点。

领导该研究团队的斯坦福大学化学工程助理教授 Matteo Cargnello 说，这些结果是朝着设计催化剂以在工业过程和排放控制方面获得更好性能迈出的重要一步。他们的报告于 6 月 17 日发表在《国家科学院院刊》上。

“这项工作最令人兴奋的结果是确定催化反应发生的位置——你可以在哪些原子位点进行这种化学反应，将污染气体转化为无害的水和二氧化碳，这非常重要，而且很难做到， ”卡格内罗说。“现在我们知道活性位点在哪里，我们可以设计出效果更好、使用更便宜的成分的催化剂。”

催化剂需要进行原本不会发生的化学反应，例如将汽车尾气中的污染气体转化为可以释放到环境中的清洁化合物。在汽车的催化转化器中，钯和铂等贵金属纳米颗粒附着在陶瓷表面。当排放气体流过时，纳米颗粒表面的原子会附着在经过的气体分子上，并促使它们与氧气反应形成水、二氧化碳和其他危害较小的化学物质。单个粒子在耗尽之前催化数十亿次反应。

Cargnello 说，今天的催化转化器旨在在高温下工作得最好，这就是为什么大多数有害废气排放来自刚刚开始预热的车辆。随着越来越多的发动机设计用于在较低温度下工作，迫切需要确定在这些温度下性能更好的新催化剂，以及不太可能很快转为电动操作的船舶和卡车。

但是是什么让一种催化剂比另一种更活跃呢?答案一直难以捉摸。

在这项研究中，研究团队从理论和实验两个角度研究了由铂和钯制成的催化剂纳米粒子，以查看它们是否可以识别出其表面有助于提高活性的特定原子结构。

带有锯齿状边缘的圆形颗粒

在理论方面，SLAC 工作人员科学家 Frank Abild-Pedersen 和他在 SUNCAT 界面科学和催化中心的研究小组创建了一种新方法，用于模拟化学反应过程中暴露于气体和蒸汽如何影响催化纳米颗粒的形状和原子结构。Abild-Pedersen 说，这在计算上非常困难，而且之前的研究假设粒子存在于真空中并且永远不会改变。

在 SLAC 和斯坦福大学的一项研究中，理论家预测由钯和铂制成的催化剂纳米粒子(左)在某些化学反应(中)中会变得更圆，从而形成阶梯状特征，其中原子对是特别活跃的催化位点。右图的实验和电子显微镜图像证实了这一点，提供了对催化剂如何工作的新理解。图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

他的团队创造了新的更简单的方法来在更复杂、更逼真的环境中对粒子进行建模。博士后研究人员 Tej Choksi 和 Verena Streibel 的计算表明，随着反应的进行，八面纳米粒子变得更圆，它们平坦的小面状表面变成一系列锯齿状的小台阶。

通过创建和测试不同尺寸的纳米颗粒，每个纳米颗粒具有不同的锯齿状边缘与平坦表面的比例，该团队希望准确了解哪种结构配置，甚至哪些原子对颗粒的催化活性贡献最大。

水的一点帮助

杨安琪，博士 Cargnello 小组的学生制造了精确控制尺寸的纳米粒子，每个纳米粒子都包含均匀分布的钯和铂原子混合物。为此，她必须开发一种新方法，通过将较大的颗粒播种在较小的颗粒周围来制造较大的颗粒。杨使用来自 SLAC 的斯坦福同步辐射光源的 X 射线束来确认她在 SLAC 的 Simon Bare 和他的团队的帮助下制造的纳米粒子的成分。

然后，杨进行了实验，其中使用不同尺寸的纳米粒子催化将丙烯(排气中最常见的碳氢化合物之一)转化为二氧化碳和水的反应。

“这里的水发挥了特别有趣和有益的作用，”她说。“通常它会使催化剂中毒或失活。但在这里，接触水会使颗粒更圆，并打开更多的活性位点。”

结果证实，正如计算研究预测的那样，较大的粒子更活跃，并且在反应过程中变得更圆、更锯齿。最活跃的粒子包含最大比例的一种特定原子配置——其中两个原子，每个原子被七个相邻原子包围，形成对以进行反应步骤。正是这些“7-7 对”让大颗粒比小颗粒表现得更好。

展望未来，杨说，她希望弄清楚如何用更便宜的材料种植纳米颗粒，以降低成本并减少稀有贵金属的使用。

来自行业的兴趣

该研究由排放控制技术的领先制造商巴斯夫公司通过加州研究联盟资助，该联盟负责协调巴斯夫科学家与包括斯坦福大学在内的七所西海岸大学之间的研究。

“这篇论文解决了有关活性位点的基本问题，将理论和实验观点结合在一起，以一种非常好的方式来解释实验现象。这是以前从未做过的，这就是为什么它非常重要，”高级研究员李跃进说。参与该研究的巴斯夫首席科学家。

“最后，”他说，“我们希望有一个理论模型，可以预测哪种金属或金属组合的活性比我们目前的技术水平更好。”

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