由布鲁克海文国家实验室制作
该示意图显示了二氧化碳(CO2)与乙烷(C2H6)的两种可能的反应途径，其中碳是黑色的，氧是红色的，氢是白色的
通过研究将另一种金属与钯配对的催化剂，科学家确定了决定反应途径的两种排列或相
顶部:如果金属形成合金，催化剂有利于打破碳碳键，产生一氧化碳和氢气——合成气
底部:如果金属分离形成氧化物界面，催化剂有利于破坏碳氢键，产生乙烯(C2H4)、一氧化碳和水
学分:布鲁克海文国家实验室 将二氧化碳(CO2)和乙烷(天然气中未被充分利用的成分)转化为我们需要的东西，将是一种有效利用温室气体和未被利用的碳氢化合物的好方法
但是，推动这种反应专门针对一种或另一种期望的产品可能是一个挑战
发现决定催化剂行为的基本原理——将反应物聚集在一起的化学“交易者”——可以为更具选择性的反应提供关键
在刚刚发表在《美国化学学会杂志》上的一项研究中，来自美国的化学家
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美国能源部下属的布鲁克海文国家实验室、哥伦比亚大学和宾汉姆顿大学描述了决定一组反应的催化选择性的特征:将二氧化碳和乙烷(C2H6)转化为合成气(用于发电或制造液体燃料)，或者乙烯(用于制造油漆、塑料和其他聚合物的构件)
领导这项研究的布鲁克海文和哥伦比亚大学的化学家·陈说:“这两种途径都很有价值，但是你希望能够选择性地将反应导向其中一种，以便更容易、更经济地提取所需的产品。”
“我们试图确定关键的催化原理，使其选择一种或另一种途径，并认为这些原理可以指导更广泛反应的催化剂设计
" 为了发现关键原理，研究小组对一系列双金属(双金属)催化剂进行了详细的研究——使用不同的金属与钯配对
对于每种组合，他们检查了金属是如何结合在一起的，并测量了反应物和产物的混合物在反应过程中是如何变化的
他们还在国家同步辐射光源二号(NSLS二号)和高级光子源——分别位于布鲁克海文和阿贡国家实验室的两个能源部科学办公室用户设施——使用强大的x射线研究了催化剂的原子结构和电子性质
他们使用布鲁克海文功能纳米材料中心的计算集群和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室国家能源研究科学计算中心的超级计算机进行计算建模研究，这是美国能源部科学办公室的另外两个用户设施
建模研究使用“密度泛函理论”(DFT)来预测构成催化剂的原子排列如何随着反应的进行而改变，基于不同原子组之间的结合能以及打破和改造化学键所需的能量
布鲁克海文化学部催化反应性和结构组的DFT计算专家刘平说:“对于理论和实验，我们不仅观察了最初制备的催化剂样品，还观察了它们在反应过程中发生相变的情况。”
“当我们把两种金属放在一起时，”陈解释说，“它们留在一个我们称之为块状合金的结构中
但是在反应条件下，当你把催化剂暴露在二氧化碳和乙烷中时，这些金属开始移动
这就是为什么像NSLS二号这样的同步加速器非常关键，因为高强度的光子源使我们能够在反应条件下测量活性位点的电子和物理结构，”他说
“技术之间的强相互作用——包括可控催化合成、基于同步加速器的表征研究、动力学测量和理论建模——对这项研究至关重要，”刘说
陈同意了
“如果没有这些技术中的任何一项，我们都不会得出我们的结论
我们只有在国家实验室环境中才能真正做到这一点，在那里，所有这些领域都有设施和专业知识。”
那么，这些结论是什么？两个关键原理或描述符的发现，决定了金属原子是否和如何移动，以及这些移动如何驱动反应选择性
关键原理是:1)双金属催化剂的“形成能”——两种金属结合得有多紧密，以及2)催化剂和反应过程中从CO2中释放的氧气之间的结合能
如果两种金属牢固地结合在一起(例如
g
当钯与钴配对时)，催化剂不会与游离的氧结合，仍将是合金，如图的上半部分所示
这种催化安排有利于打破碳碳键，选择性地将二氧化碳和乙烷转化为一氧化碳和氢气——合成气的成分
但是如果催化剂对游离氧的亲和力强到足以克服合金的形成能——就像钯与铟配对的情况一样——配对的金属将移动到催化剂表面形成氧化物壳
这种结构有利于打破碳氢键，驱动产生乙烯的途径
科学家与钯配对的其他金属介于这两个极端之间
科学家使用完整的数据集来提取两个关键原则
“通过使用我们已经确定的描述符，现在我们可以帮助指导两种途径的催化剂设计——制造合成气或乙烯，”陈说
此外，正如刘指出的，“这些是广义的描述符，这意味着它们不仅适用于一种或两种特定的催化剂
我们的实验和理论证明这种方法适用于钯基催化剂
我们认为这可以扩展到其他双金属催化剂，这是我们将在未来考虑的事情
"
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