科学家发现能促进催化剂活性的成对原子

出于经济和环境方面的考虑，用更便宜，更有效的材料替换分解催化器中废气的昂贵金属是科学家的重中之重。要求催化剂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催化剂的工作原理。

现在，斯坦福大学和能源部的SLAC国家加速器实验室的一个团队已经准确识别出钯和铂纳米颗粒(转换器中常用的组合)中的哪对原子在分解这些气体中最活跃。

他们还回答了一个使催化剂研究人员感到困惑的问题：当您期望相反时，为什么较大的催化剂有时有时比较小的催化剂工作得更好?答案与颗粒在反应过程中改变形状的方式有关，从而创造出更多的高活性位点。

斯坦福大学化学工程学助理教授Matteo Cargnello说，研究结果是朝着工程催化剂的方向迈出的重要一步，以提高工业过程和排放控制的性能。他们的报告于6月17日发表在《美国国家科学院院刊》上。

“这项工作最令人兴奋的结果是确定了发生催化反应的地方-您可以在哪个原子位点上进行这种化学反应，将污染性气体转化为无害的水和二氧化碳，这非常重要，而且难以实现，卡涅罗说。“现在我们知道了活性位点，我们可以设计出效果更好且使用更便宜的成分的催化剂。”

要求催化剂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释放到环境中的清洁化合物。在汽车的催化转换器中，像钯和铂这样的贵金属纳米颗粒附着在陶瓷表面上。随着排放气体的流过，纳米颗粒表面上的原子会闩锁在通过的气体分子上，并促使它们与氧气反应生成水，二氧化碳和其他危害较小的化学物质。在耗尽之前，单个粒子催化数十亿次反应。

Cargnello说，当今的催化转化器被设计为在高温下运行最佳，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的原因。随着更多的发动机设计为在较低温度下工作，迫切需要确定在这些温度下性能更好的新型催化剂，以及不太可能很快转为电动的船舶和卡车。

但是，是什么使一种催化剂比另一种更具活性呢?答案难以捉摸。

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颗粒，以了解它们是否可以识别表面上有助于提高活性的特定原子结构。

边缘参差不齐的圆形颗粒

从理论上讲，SLAC的科学家Frank Abild-Pedersen和他在SUNCAT界面科学与催化中心的研究小组创建了一种新方法，用于模拟化学反应期间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，以前的研究假设粒子是在真空中存在并且从未改变。

他的小组创建了新的更简单的方法来在更复杂，更真实的环境中对粒子建模。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，它们的平坦小平面像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，每个纳米颗粒的锯齿状边缘与平坦表面的比率不同，研究小组希望准确归纳出哪种结构构型甚至哪一个原子对颗粒的催化活性贡献最大。

水的帮助

杨博士Cargnello小组的一名学生制造了尺寸精确控制的纳米粒子，每个粒子均包含钯和铂原子的均匀分布的混合物。为此，她必须开发一种通过将较大的粒子播种在较小的粒子上来制造较大粒子的新方法。杨利用SLAC的斯坦福同步加速器辐射光源的X射线束确认了她在SLAC的Simon Bare和他的团队的帮助下制成的纳米粒子的成分。

然后，Yang进行了实验，其中使用了不同大小的纳米粒子来催化将丙烯(一种存在于废气中的最常见的碳氢化合物之一)转化为二氧化碳和水的反应。

她说：“这里的水起着特别有趣和有益的作用。”“通常它会毒化或钝化催化剂。但是在这里，暴露于水会使颗粒变得更圆，并开放了更多的活性位。”

结果证实，如计算研究所预测的那样，较大的颗粒更具活性，并且在反应过程中变得更圆且参差不齐。活性最高的粒子包含最大比例的一种特定原子构型-一个其中两个原子(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”使大颗粒的性能优于较小的颗粒。

杨说，展望未来，她希望弄清楚如何用便宜得多的材料播种纳米粒子，以降低成本并减少稀有贵金属的使用。

行业兴趣

这项研究由领先的排放控制技术制造商巴斯夫公司通过加利福尼亚研究联盟提供资金，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。

“高级学者李跃进说：“本文正在解决有关活性位点的基本问题，将理论和实验观点很好地结合在一起来解释实验现象。这是以前从未做过的，这就是为什么它意义重大的原因。参与这项研究的巴斯夫首席科学家。

他说：“最后，我们希望有一个理论模型可以预测哪种金属或金属组合物比我们现有技术具有更好的活性。”

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