揭开催化剂的秘密：微量如何彻底改变化学反应

　　维也纳理工大学的研究人员通过直接观察镧原子在增强铑纳米颗粒催化剂中的作用，彻底改变了对催化剂促进剂的理解。他们的研究揭示了这些启动子如何控制催化剂的关键区域，从而显著影响化学反应过程。上图是水分子和纳米粒子的图像。来源:TU Wien

　　维也纳工业大学的研究人员首次实时观察到催化反应中启动子的功能，取得了重大突破。促销员打篮筐在技术中扮演着重要的角色，但在这方面的知识有限关于他们的工作到现在为止。

　　催化剂在许多化学技术中起着至关重要的作用，包括净化废气和生产有价值的化学品和能源载体。通常，在催化剂中加入少量其他物质，称为“促进剂”，以提高其效率。这些启动子虽然在技术中起着至关重要的作用，但研究起来却非常困难。

　　在大多数情况下，确定哪种数量的启动子对催化剂有什么影响是一个反复试验的过程。然而，维也纳工业大学的研究人员已经成功地直接观察到镧促进剂在氢氧化中的作用。利用高科技显微镜方法，他们可视化了单个La原子的作用。

　　他们的研究表明，催化剂的两个表面区域起着起搏器的作用，类似于管弦乐队的指挥家。启动子在它们的相互作用中起着至关重要的作用，控制着起搏器。这项研究的结果已经发表在《自然通讯》杂志上。

　　观看现场反应

　　“许多化学过程使用微小纳米颗粒形式的催化剂，”维也纳工业大学材料化学研究所的g nther Rupprechter教授说。虽然催化剂的性能可以很容易地通过产品的分析来确定，微观的见解不能按照这种方法获得。

　　单个纳米粒子的反应行为是由它的起搏器决定的。La启动子的加入显著影响这些起搏器的相互作用。来源:TU Wien

　　这种情况现在已经改变了。几年来，g nther Rupprechter和他的团队开发了复杂的方法，可以直接观察化学反应过程中的单个纳米颗粒。这使我们能够看到在反应过程中这些纳米颗粒在不同位置的活性是如何变化的。

　　“我们使用了表现得像纳米颗粒的铑纳米尖端，”g nther Rupprechter说。“例如，当氢和氧结合形成水分子时，它们可以作为催化剂——我们正在详细研究这种反应。”

　　在“活跃”和“不活跃”之间摇摆

　　近年来，维也纳理工大学的研究小组已经证明，纳米颗粒表面的不同区域表现出不同的行为:它们在活性状态和非活性状态之间振荡。有时，期望的化学反应发生在某些位置，而在其他时候，它不是。

　　使用专用显微镜，已经显示出各种这样的振荡平行地发生在每个纳米颗粒上，并且它们都相互影响。纳米粒子表面的某些区域，通常只有几个原子直径宽，比其他区域发挥着更重要的作用:它们充当高效的“起搏器”，甚至控制其他区域的化学振荡。

　　启动子现在可以干扰这种起搏器的行为，而这正是维也纳理工大学开发的方法允许研究人员进行研究的。当铑作为催化剂时，镧可以作为催化反应的促进剂。单个镧原子被放置在铑纳米粒子的微小表面上。在存在和不存在启动子的情况下，对同一颗粒进行了研究。这种方法详细地揭示了单个镧原子对化学反应过程的特殊影响。

　　镧改变了一切

　　Maximilian Raab, Johannes Zeininger和Carla Weigl进行了实验。“差别是巨大的，”马克西米利安·拉布(Maximilian Raab)说。“镧原子可以结合氧，从而改变催化反应的动力学。”微量的镧改变了纳米粒子不同区域之间的耦合。

　　“镧可以选择性地使某些起搏器失效，”约翰内斯·泽宁格解释说。“想象一下，一个有两位指挥家的管弦乐队——我们会听到相当复杂的音乐。推动者确保只剩下一个起搏器，使情况更简单，更有序。”

　　除了测量之外，由Alexander Genest和Yuri Suchorski支持的研究小组还开发了一个数学模型来模拟纳米颗粒各个区域之间的耦合。这种方法提供了一种比以前更有力的方法来描述化学催化:不仅基于输入和输出，而且基于一个复杂的模型，该模型考虑了催化剂的不同区域如何在活性和非活性之间切换，并在启动子的控制下相互影响。

　　参考文献:“单催化纳米粒子上镧调制反应起搏器”，作者:Maximilian Raab, Johannes Zeininger, Yuri Suchorski, Alexander Genest, Carla Weigl和g

　　nther Rupprechter, 2023年11月8日，Nature Communications。DOI: 10.1038/s41467-023-43026-3SHARE TWEET REDDIT电子邮件分享

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