科学家们刚刚绘制了铂原子的图——它可以永远改变催化作用
苏黎世联邦理工学院的研究人员利用核磁共振研究了固体载体中单个铂原子的原子环境及其空间取向。 未来，该方法可用于优化单原子催化剂的生产。 催化——通过添加特定物质来加速化学反应——在工业和日常生活中都极为重要。 大约 80% 的化学产品是在催化以及废气催化剂或燃料电池等技术也基于这一原理。 铂是一种特别有效和用途广泛的催化剂。 然而，由于铂金是一种非常稀有且昂贵的贵金属，其生产会导致大量二氧化碳排放，因此在最大限度地提高其效率的同时尽可能少地使用铂金非常重要。 单原子 催化剂 近年来，科学家们试图开发所谓的单原子催化剂，其中原子有助于化学反应。 这些催化剂是通过将单个铂原子沉积在多孔主体材料表面制成的，例如掺杂氮原子的碳。 氮原子充当铂原子可以抓住的锚点。 由苏黎世联邦理工学院化学与应用生命科学系的 Javier Pérez-Ramírez 和 Christophe Copéret 领导的一组研究人员，以及里昂大学和奥胡斯大学的同事，已经现在表明，这种单原子催化剂比以前想象的要复杂得多。 使用核磁共振，他们能够证明这种催化剂中的单个铂原子可以具有非常不同的原子环境，这会影响它们的催化作用。 未来，这一发现将使开发更高效的催化材料成为可能。 研究人员最近在科学杂志上发表了他们的发现自然。 偶遇导致突破性的 “到目前为止，单个铂原子只能通过电子显微镜的'透镜'来观察——这看起来令人印象深刻，但并没有告诉我们太多关于它们的催化特性的信息，”Pérez-Ramírez 说。 他与 Copéret 一起思考如何更精确地表征单个铂原子。 此次合作始于 NCCR 催化计划框架内的一次会议上的一次偶然相遇。 会面后，两位研究人员萌生了尝试核磁共振的想法。 这种方法是医院 MRI 的基础，通常用于在实验室中研究分子，原子核在强静磁场中的自旋对一定谐振频率的振荡磁场做出反应。 在分子中，这种共振频率取决于不同原子在分子内的排列方式。 “同样，单个铂原子的共振频率也受到以下因素的影响它们的原子邻居——例如碳、氮或氧——以及它们相对于静磁场的方向，“Copéret 解释道。 这导致了许多不同的共振频率，就像管弦乐队中的不同音调一样。 找出哪种乐器正在产生特定的音调并不容易。 “幸运的是，在访问里昂期间，我们中的一个人遇到了一位来自奥胡斯的模拟专家，他同时访问了那里，”Copéret 说。 这样的遭遇，以及他补充说，由此产生的合作对于科学进步至关重要。 这位模拟专家与 ETH 合作者一起开发了一种计算机代码，可以从混乱中过滤掉单个铂原子的许多不同“音调”。 原子环境图 最终，这导致了单原子催化剂描述的突破：研究团队现在能够编制一种显示类型和位置的地图铂原子周围的原子。 “这种分析方法在该领域树立了新的标杆，”Pérez-Ramírez 说。 通过这种广泛可用的方法，可以优化单原子催化剂的生产方案，使所有铂原子都有定制的环境。 这是球队的下一个挑战。 “从知识产权的角度来看，我们的方法也很重要，”Copéret 说：“能够在原子水平上精确描述催化剂，可以我们通过专利保护它们。