作者格伦达·楚伊，美国国家加速器实验室 SLAC和斯坦福大学的一项研究确定了催化剂纳米颗粒中的哪对原子在催化转化器中分解有害废气的反应中最活跃
最活跃的粒子包含一种特定原子构型的最大比例——一种是两个原子，每个原子被七个相邻的原子包围，成对进行反应步骤
学分:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 出于经济和环境的原因，用更便宜、更有效的材料替代催化转化器中分解废气的昂贵金属是科学家们的当务之急
催化剂需要进行化学反应，否则不会发生，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确定了钯和铂纳米粒子(转换器中常用的组合)中哪对原子在分解这些气体时最活跃
他们还回答了一个让催化剂研究人员困惑的问题:为什么大的催化剂颗粒有时比小的颗粒效果更好，而你会想到相反的情况？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
领导该研究小组的斯坦福大学化学工程助理教授马特奥·卡内洛说，这一结果是朝着在工业过程和排放控制中获得更好性能的工程催化剂迈出的重要一步
他们的报告发表在6月17日的《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在哪里——在哪些原子位点上，你可以进行化学反应，产生污染气体，并将其转化为无害的水和二氧化碳，这非常重要，也非常困难，”卡内洛说
“现在我们知道了活性位点在哪里，我们就可以设计出更有效的催化剂，使用更便宜的成分
" 催化剂需要进行化学反应，否则不会发生，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，钯和铂等贵金属的纳米粒子附着在陶瓷表面
随着排放气体的流动，纳米颗粒表面的原子会吸附在通过的气体分子上，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
一个粒子在耗尽之前会催化数十亿次反应
嘉吉洛说，今天的催化转换器被设计成在高温下工作最佳，这就是为什么大多数有害的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被设计成在较低温度下工作，迫切需要找到在这些温度下性能更好的新催化剂，以及不太可能在短期内转向电动操作的船舶和卡车上的催化剂
但是是什么让一种催化剂比另一种催化剂更有活性呢？答案一直难以捉摸
在这项研究中，研究小组从理论和实验两个角度观察了由铂和钯制成的催化剂纳米粒子，看看它们是否能识别出表面上有助于提高活性的特定原子结构
边缘呈锯齿状的圆形颗粒 在理论方面，SLAC大学界面科学和催化中心的科学家弗兰克·阿比德-彼得森和他的研究小组创造了一种新方法，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粒子的形状和原子结构
阿比德-彼得森说，这在计算上非常困难，以前的研究假设粒子存在于真空中，从未改变
在SLAC和斯坦福大学的一项研究中，理论家们预测，由钯和铂制成的催化剂纳米粒子(左)在某些化学反应过程中会变得更圆(中间)，形成具有成对原子的阶梯状特征，这些原子是特别活跃的催化位点
像右图这样的实验和电子显微镜图像证实了这一点，为催化剂的工作原理提供了新的理解
学分:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 他的团队创造了新的更简单的方法，在更复杂、更真实的环境中模拟粒子
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。
通过创造和测试不同尺寸的纳米粒子，每个纳米粒子具有不同的锯齿状边缘与平坦表面的比率，研究小组希望准确了解哪种结构配置，甚至哪种原子对粒子的催化活性贡献最大
水的一点帮助 杨佳，博士
D
卡内洛小组的一名学生制作了精确控制尺寸的纳米粒子，每个纳米粒子都含有均匀分布的钯和铂原子的混合物
为了做到这一点，她必须开发一种新的方法，通过在较小的粒子周围播种来制造较大的粒子
在西蒙·巴尔及其团队的帮助下，杨利用来自斯坦福同步辐射光源的X射线束证实了她制作的纳米粒子的成分
然后在杨冉的实验中，不同尺寸的纳米粒子被用来催化一个反应，该反应将尾气中最常见的碳氢化合物之一丙烯转化为二氧化碳和水
“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
但是在这里，暴露在水中使粒子变得更圆，并打开了更多的活性位点
" 正如计算研究预测的那样，结果证实了较大的粒子更活跃，在反应过程中它们变得更圆、更参差不齐
最活跃的粒子包含一种特定原子结构的最大部分——两个原子，每个原子被七个相邻的原子包围，成对进行反应步骤
正是这些“7-7对”让大粒子比小粒子表现得更好
杨说，展望未来，她希望找出如何用更便宜的材料种植纳米粒子，以降低成本，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州研究联盟资助的，该联盟协调巴斯夫科学家和包括斯坦福大学在内的七所西海岸大学之间的研究
“这篇论文提出了关于活性位点的基本问题，理论和实验观点以一种非常好的方式结合在一起解释实验现象
参与这项研究的巴斯夫公司高级首席科学家李跃进说:“这是前所未有的，这也是为什么它如此重要的原因。”
“最后，”他说，“我们希望有一个理论模型，可以预测什么金属或金属组合会比我们目前的技术水平有更好的活性
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
