布鲁克海文国家实验室的凯伦·麦纽提·沃什 科学家们研究了氧化铈表面由铂原子(红色和蓝色)制成的水煤气转换反应催化剂，发现只有纳米粒子周围的一些铂原子(闪亮的暗红色)被激活参与反应
这些活化的铂原子将氧从羟基(最初来自水分子)转移到一氧化碳(一氧化碳)，将其转化为二氧化碳，留下氢原子与氢原子结合形成H2
了解这些动力学可能有助于科学家设计需要更少铂原子的催化剂
学分:布鲁克海文国家实验室 美国科学家
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能源部下属的布鲁克海文国家实验室、石溪大学(SBU)和其他合作机构已经发现了一种重要的铂基催化剂在水煤气转换反应中如何工作的动态原子级细节
这一反应将一氧化碳(一氧化碳)和水(H2O)转化为二氧化碳(二氧化碳)和氢气(H2)——这是生产和纯化氢气的一个重要步骤，可用于多种用途，包括用作燃料电池汽车的清洁燃料和生产碳氢化合物
但是因为铂稀有且昂贵，科学家们一直在寻找方法来制造使用较少这种贵金属的催化剂
准确理解铂金的功能是一个重要的步骤
发表在《自然通讯》上的这项新研究确定了催化剂活性位点中涉及的原子，解决了早期关于催化剂如何运行的相互矛盾的报道
这些实验提供了明确的证据，证明只有某些铂原子在化学转化中起重要作用
“部分挑战是催化剂本身有一个复杂的结构，”主要作者李媛媛解释说，他是SBU材料科学和化学工程系的研究科学家，在布鲁克海文实验室的化学部门有一个客座任命，在布鲁克海文/SBU联合任命的安纳托利·弗兰克尔的指导下工作
该催化剂由位于氧化铈表面的铂纳米粒子(铂原子簇)制成
那些铂原子有的在纳米粒子表面，有的在核心；有些在与二氧化铈的界面上，有些在界面的外围——外边缘,”李说
“这些位置以及如何将粒子置于表面可能会影响哪些原子将与支持物或气体分子相互作用，因为有些原子是暴露的，有些是不暴露的
" 早期的实验在反应是发生在纳米颗粒上还是发生在单个孤立的铂原子上，以及活性位点是带正电荷还是带负电荷还是中性的问题上产生了相互矛盾的结果
二氧化铈载体如何与铂相互作用以激活其催化活性的细节也不清楚
“我们想解决这些问题，”李说
“为了确定活性位点并确定在这个位点上到底发生了什么，如果我们能在原子水平上研究这种类型的催化剂就更好了，”她指出
该团队包括来自布鲁克海文功能纳米材料中心(CFN)和美国其他机构的科学家
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在瑞典，使用了一系列技术来做到这一点
他们研究了反应条件下的催化剂，出乎意料地发现了当催化剂在反应条件下达到活性状态时所产生的特殊效果
“在我们的科学家进行的一项电子显微镜实验中，粒子周围的铂原子在聚焦和散焦之间‘跳舞’，而其余的原子则稳定得多，”弗兰克尔说
当从反应分子流中除去一些反应物(一氧化碳或水)时，没有观察到这种动态行为
“我们发现，只有纳米粒子和二氧化铈载体之间界面周边的铂原子提供了催化活性，”李说
“这些周边场所的动态特性使得一氧化碳从水中获得氧气，从而变成二氧化碳，而水(H2O)失去氧气变成氢气
" 现在科学家们知道了哪些铂原子在催化剂中起着活性作用，他们也许能够设计出只含有这些活性铂原子的催化剂
第一作者李媛媛是石溪大学材料科学和化学工程系的研究科学家，他在布鲁克海文实验室的化学部门有一个客座预约，他用红外光谱仪对样品进行分析
学分:布鲁克海文国家实验室 “我们可能假设所有的表面铂原子都在工作，但它们不是，”李说
“我们不需要全部，只需要主动的
这有助于我们通过去除不参与反应的原子来降低催化剂的价格
我们相信这一机制可以推广到其他催化体系和反应中
实验细节 CFN和国家标准与技术研究所的电子显微镜“快照”揭示了周边铂原子的动态性质
“在一些图像中，周边站点在那里，你可以看到它，但在一些图像中，它不在那里
这证明这些原子是非常动态的，具有高迁移率，”李说
布鲁克海文化学部门的红外光谱研究表明，周边位置的出现与“氧空位”相吻合——氧空位是氧化铈表面的一种缺陷
这些研究还表明，一氧化碳倾向于穿过铂纳米粒子表面向周边原子迁移，羟基(羟基)在靠近周边铂原子的二氧化铈载体上滞留
“所以看起来像是外围的铂原子把两种反应物，一氧化碳和氢氧化物(来自水分子)带到了一起，”李说
《化学》杂志上的x光电子能谱研究表明，周边的铂原子也变得活跃起来——从非金属状态变为金属状态，可以从羟基中捕获氧原子，并将氧传递给一氧化碳
“这确实表明，这些活化的周边铂点使反应得以发生，”李说
最后一组实验——在美国能源部阿尔贡国家实验室的先进光子源进行的x光吸收光谱研究——显示了催化剂的动态结构变化
“我们看到反应条件下的结构正在发生变化，”李说
这些研究还揭示了铂原子和二氧化铈载体上的氧之间异常长的键，表明X射线看不见的东西占据了两者之间的空间
“我们认为在纳米粒子和支持物之间有一些氢原子
x光不能像氢一样看到轻原子
在反应条件下，这些原子氢将重组形成H2，”她补充说
结构特征和动态变化与反应性的关系的细节将有助于科学家理解这种特殊催化剂的工作机理，并有可能以更低的成本设计出活性更好的催化剂
同样的技术也可以应用于其他催化剂的研究
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