维也纳技术大学
氧化铁表面有两个铂原子，每个铂原子与一个一氧化碳分子相连
信用:图维恩 猫爬到向日葵上会发生什么？向日葵不稳定，会很快弯曲，猫会掉到地上
然而，如果猫只需要一个快速的推动就能从那里抓到一只鸟，那么向日葵可以作为一个“亚稳定的中间步骤”
这基本上是催化剂的单个原子捕获分子以便化学转化它们的机制
几年前，维也纳技术大学表面物理小组发现铂“单原子”催化剂可以在一定温度下氧化一氧化碳，根据他们的理论模型，这是不可能的
现在，在原子级显微镜图像和复杂的计算机模拟的帮助下，他们已经能够显示催化剂本身和它所固定的材料在短时间内呈现出能量上不利的“亚稳态”,以允许反应以特殊的方式发生
研究结果已经发表在《科学进展》杂志上
单原子作为催化剂 教授的研究小组
维也纳大学应用物理研究所的加雷斯·帕金森正在研究可能的最小催化剂:将单个铂原子放在氧化铁表面
然后它们与一氧化碳气体接触并转化为二氧化碳，就像现代汽车尾气中发生的一样
Gareth Parkinson说:“这个过程在技术上非常重要，但是当催化剂的尺寸缩小到单个原子的极限时，到底会发生什么直到现在还不清楚。”
“在我们的研究小组中，我们以多种方式研究这种过程:一方面，我们使用扫描隧道显微镜来产生极高分辨率的图像，在这些图像上你可以研究单个原子的运动
另一方面，我们用光谱学和计算机模拟分析了反应过程
" 铂原子作为催化剂是否有活性取决于温度
在实验中，缓慢均匀地加热催化剂，直到达到临界温度，一氧化碳转化为二氧化碳
这个阈值大约是550开尔文
“然而，这不符合我们最初的计算机模拟，”当前出版物的第一作者马蒂亚斯·迈耶说
“根据通常用于此类计算的密度泛函理论，这一过程只能在800开尔文的温度下发生
所以我们知道:一些重要的东西直到现在都被忽略了
" 两个铂原子(白色)放在氧化铁表面
碳氧化物(CO)分子附着在每个铂原子上
氧化铁突然改变其结构，释放出一个氧原子，碳氧化物需要这个氧原子来形成二氧化碳
二氧化碳分子飞走了
信用:图维恩 亚稳态:短暂，但很重要 几年来，研究小组积累了相同材料在其他反应中的丰富经验，结果，一个新的图景一步步浮现出来
马提亚斯·迈耶说:“根据密度泛函理论，你通常可以计算出能量最低的系统状态。”
“这是有道理的，因为这是系统最常假设的状态
但是在我们的例子中，有第二种状态起着核心作用:所谓的亚稳态
" 铂原子和氧化铁表面都可以在不同的量子物理状态之间来回切换
能量最低的基态是稳定的
当系统转变到亚稳态时，不可避免地会在短时间内回到基态——就像猫试图爬上不稳定的爬杆
但是在一氧化碳的催化转化中，系统处于亚稳态的时间非常短就足够了:就像猫在不稳定的攀爬状态中短暂的一瞬间足以用爪子抓住一只鸟一样，催化剂可以转化处于亚稳态的一氧化碳
当一氧化碳第一次被引入时，两个铂原子结合在一起形成二聚体
当温度足够高时，二聚体可以移动到表面氧原子结合不太弱的不太有利的位置
在亚稳态下，氧化铁在这一点上精确地改变了其原子结构，释放出碳氧化物形成二氧化碳所需的氧原子，二氧化碳立即飞走——完成了催化过程
马蒂亚斯·迈耶说:“如果我们在计算机模拟中包括这些以前没有解释的短期状态，我们就会得到同样在实验中测量到的结果。”
“我们的研究结果表明，在表面物理学中，你通常需要大量的经验，”加雷斯·帕金森说
“如果我们多年来没有研究非常不同的化学过程，我们可能永远也不会解决这个难题
“最近，人工智能也被成功地用于分析量子化学过程——但在这种情况下，帕金森确信，它可能不会成功
要想出以前认为不可能的创造性解决方案，你可能终究需要人类
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