卡尔斯鲁厄理工学院 带有非活性单原子(左)和活性簇(右)的贵金属催化剂示意图；贵金属:白色；载体金属:黄色；氧气:红色)
荣誉:佛罗里达毛雷尔，基特 全世界有数十亿种贵金属催化剂用于生产化学品、发电或净化空气
然而，为此目的所需的资源是昂贵的，并且它们的可用性是有限的
为了优化资源的利用，已经开发了基于单一金属原子的催化剂
卡尔斯鲁厄理工学院的一个研究小组证明了贵金属原子在一定条件下可以聚集形成团簇
这些团簇比单个原子更具反应性，因此，废气可以更好地去除
结果发表在《自然催化》杂志上
贵金属催化剂用于广泛的反应
其中，它们被应用于几乎所有的燃烧过程，以减少污染物排放
通常，它们由施加到载体材料上的活性成分的非常小的颗粒组成，例如贵金属
这些所谓的纳米粒子由几千个金属原子组成
“但是只有外部的原子在反应中是活跃的，而大多数原子仍然没有被使用，”基特的化学技术和聚合物化学研究所(ITCP)的简-迪克·格伦沃尔德教授解释说
通过改变操作条件，可以改变这种催化剂的结构，从而改变其活性
例如，在高速公路上长时间行驶时，汽车的排气系统会达到高温，贵金属和载体之间的相互作用可能会导致单个原子的形成
e
“载体上独立的金属原子，”格伦沃尔德说
“这种单原子催化剂有望达到非常高的贵金属组分利用率，因为理论上所有原子都可以参与反应
“然而，与这一预期相反，格伦沃尔德特小组与基特大学功能界面研究所的克里斯托夫·沃尔教授和基特大学催化研究和技术研究所的费利克斯·斯图特教授合作，发现这些原子首先必须在反应条件下形成贵金属簇才能变得活跃
研究人员专门诱导单个原子的形成，并在反应过程中彻底检查它们的结构
借助于首次用于这类催化剂的高度专业化的光谱学和理论计算，该团队成功地解释了为什么铂原子通常具有低活性
“为了转化污染物，它们通常必须与催化剂中的氧气发生反应
为此，两种成分必须在同一时间和地点获得，这对于孤立的铂原子来说是不可能实现的，因为所需反应的氧与载体成分结合得太强了——在我们的例子中是氧化铈，”该研究的主要作者之一、来自ITCP的弗洛里安·莫伊雷尔(Florian Maurer)说
打破铂-氧化铈键后，铂原子可以在载体表面移动
下一步，这些铂原子形成小的铂簇，在铂簇上的反应比在单个原子上进行的要快得多
" 集群具有高活性的最佳结构 该团队的研究证明，无论是纳米粒子还是孤立的原子都没有达到最高的活性
“最佳介于两者之间
它是由小的贵金属团簇到达的，”格伦沃尔德说
“稳定这些贵金属簇可能是在生产催化剂时大幅减少贵金属消耗的关键
多年来，贵金属组分日益精细的分布一直是设计新催化剂的主要策略之一
我们的实验现在揭示了原子范围的极限
「这项研究的结果将会用于以知识为本的设计，以及发展稳定性和长期活性更高的催化剂
这将是德国知识产权局卡尔斯鲁厄废气中心的工作重点
玛丽亚·卡萨普是这项研究的合著者
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
