科学家发现能促进催化剂活性的成对原子

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颗粒（左）在某些化学反应（中间）时会变得更圆，形成带有特别是活性催化部位的成对原子的阶梯状特征。实验和如右图所示的电子显微镜图像证实了这种情况，从而使人们对催化剂的工作方式有了新的认识。

他们发现，化学反应的混乱环境实际上可以改变催化纳米颗粒的形状，从而使其更具活性。

出于经济和环境方面的原因，用更便宜，更有效的材料代替能分解催化转化器中废气的昂贵金属是科学家的重中之重。要改进它们，研究人员需要对它们的催化剂的工作原理有更深入的了解。

现在，斯坦福大学和能源部的SLAC国家加速器实验室的一个研究小组已经准确地确定了钯和铂纳米颗粒（转化器中常用的组合）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颗粒有时会比较小的催化剂更好地工作？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，研究结果是迈向工程催化剂的重要一步，以提高工业过程和排放控制的性能。他们的报告于2020年6月17日在美国国家科学院院刊上发表。

“这项工作最令人兴奋的结果是确定了催化反应发生的位置–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。”

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颗粒（左）在某些化学反应（中间）时会变得更圆，形成带有特别是活性催化部位的成对原子的阶梯状特征。实验和如右图所示的电子显微镜图像证实了这种情况，从而使人们对催化剂的工作方式有了新的认识。

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。在汽车的催化转化器中，贵金属的纳米颗粒（如钯和铂）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形成水，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。随着越来越多的发动机设计成可在较低温度下工作，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，以了解它们是否能够识别出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及其研究小组在SUNCAT界面科学和催化中心进行了研究，创造了一种新方法，可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，并且以前的研究都假设粒子存在于真空中并且从未改变。

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，其平坦的，类似小平面的表面变成了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，该团队希望准确归纳出哪种结构构型甚至哪些原子对颗粒的催化活性贡献最大。

水的帮助

Cargnello研究小组的博士生Angel Yang制备了尺寸精确控制的纳米粒子，每个纳米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的西蒙·巴雷（Simon Bare）和他的团队的帮助下制成的纳米颗粒的成分。

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：“这里的水发挥了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部位。”

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。活性最高的粒子占一种特定原子构型的最大比例-一种原子构型，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小颗粒。

杨说，展望未来，她希望通过使用便宜得多的材料来播种纳米颗粒，以降低成本并减少稀有贵金属的使用。

来自行业的兴趣

这项研究是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资助的，该联盟负责协调巴斯夫科学家与包括斯坦福大学在内的7所西海岸大学之间的研究。

“本文正在解决有关活性位点的基本问题，将理论和实验观点结合在一起，以一种很好的方式来解释实验现象。这项工作以前从未做过，这就是为什么它意义重大。”参与这项研究的巴斯夫高级首席科学家李跃进说。

“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物比我们目前的技术水平具有更好的活性。”

参考：杨安智，Tej Choksi，Verena Streibel，哈桑·阿尔贾玛，科迪·W拉斯曼，卢克·T·罗林，艾米特·D·古德曼，“揭示均一的纳米晶体催化剂和理论见解相结合的催化燃烧活性中心集合的结构”， Dionne Thomas，Simon R.Bare，Roel S.Sanchez-Carrera，AnsgarSchäfer，李跃进，Frank Abild-Pedersen和Matteo Cargnello，2020年6月17日，美国国家科学院院刊.DOI：
10.1073 / pnas.2002342117

斯坦福同步加速器辐射光源是美国能源部科学办公室的用户设施。SUNCAT是SLAC与斯坦福大学工程学院之间的合作伙伴关系，得到了美国能源部科学办公室的支持。