出于經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的考慮，用更便宜，更有效的材料替換分解催化器中廢氣的昂貴金屬是科學(xué)家的重中之重。要求催化劑進(jìn)行原本不會發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，例如將汽車尾氣中的污染氣體轉(zhuǎn)化為可釋放到環(huán)境中的清潔化合物。為了改進(jìn)它們，研究人員需要更深入地了解催化劑的工作原理。

現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)和能源部的SLAC國家加速器實驗室的一個團(tuán)隊已經(jīng)準(zhǔn)確識別出鈀和鉑納米顆粒(轉(zhuǎn)換器中常用的組合)中的哪對原子在分解這些氣體中最活躍。

他們還回答了一個使催化劑研究人員感到困惑的問題：當(dāng)您期望相反時，為什么較大的催化劑有時有時比較小的催化劑工作得更好?答案與顆粒在反應(yīng)過程中改變形狀的方式有關(guān)，從而創(chuàng)造出更多的高活性位點(diǎn)。

斯坦福大學(xué)化學(xué)工程學(xué)助理教授Matteo Cargnello說，研究結(jié)果是朝著工程催化劑的方向邁出的重要一步，以提高工業(yè)過程和排放控制的性能。他們的報告于6月17日發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

“這項工作最令人興奮的結(jié)果是確定了發(fā)生催化反應(yīng)的地方-您可以在哪個原子位點(diǎn)上進(jìn)行這種化學(xué)反應(yīng)，將污染性氣體轉(zhuǎn)化為無害的水和二氧化碳，這非常重要，而且難以實現(xiàn)，卡涅羅說。“現(xiàn)在我們知道了活性位點(diǎn)，我們可以設(shè)計出效果更好且使用更便宜的成分的催化劑。”

要求催化劑進(jìn)行原本不會發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，例如將汽車尾氣中的污染氣體轉(zhuǎn)化為可釋放到環(huán)境中的清潔化合物。在汽車的催化轉(zhuǎn)換器中，像鈀和鉑這樣的貴金屬納米顆粒附著在陶瓷表面上。隨著排放氣體的流過，納米顆粒表面上的原子會閂鎖在通過的氣體分子上，并促使它們與氧氣反應(yīng)生成水，二氧化碳和其他危害較小的化學(xué)物質(zhì)。在耗盡之前，單個粒子催化數(shù)十億次反應(yīng)。

Cargnello說，當(dāng)今的催化轉(zhuǎn)化器被設(shè)計為在高溫下運(yùn)行最佳，這就是為什么大多數(shù)有害廢氣排放來自剛剛開始預(yù)熱的車輛的原因。隨著更多的發(fā)動機(jī)設(shè)計為在較低溫度下工作，迫切需要確定在這些溫度下性能更好的新型催化劑，以及不太可能很快轉(zhuǎn)為電動的船舶和卡車。

但是，是什么使一種催化劑比另一種更具活性呢?答案難以捉摸。

在這項研究中，研究團(tuán)隊從理論和實驗兩個角度研究了由鉑和鈀制成的催化劑納米顆粒，以了解它們是否可以識別表面上有助于提高活性的特定原子結(jié)構(gòu)。

邊緣參差不齊的圓形顆粒

從理論上講，SLAC的科學(xué)家Frank Abild-Pedersen和他在SUNCAT界面科學(xué)與催化中心的研究小組創(chuàng)建了一種新方法，用于模擬化學(xué)反應(yīng)期間暴露于氣體和蒸汽如何影響催化納米顆粒的形狀和原子結(jié)構(gòu)。Abild-Pedersen說，這在計算上非常困難，以前的研究假設(shè)粒子是在真空中存在并且從未改變。

他的小組創(chuàng)建了新的更簡單的方法來在更復(fù)雜，更真實的環(huán)境中對粒子建模。博士后研究人員Tej Choksi和Verena Streibel的計算表明，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，八面納米粒子變得更圓，它們的平坦小平面像一系列鋸齒狀的小臺階。

通過創(chuàng)建和測試不同尺寸的納米顆粒，每個納米顆粒的鋸齒狀邊緣與平坦表面的比率不同，研究小組希望準(zhǔn)確歸納出哪種結(jié)構(gòu)構(gòu)型甚至哪一個原子對顆粒的催化活性貢獻(xiàn)最大。

水的幫助

楊博士Cargnello小組的一名學(xué)生制造了尺寸精確控制的納米粒子，每個粒子均包含鈀和鉑原子的均勻分布的混合物。為此，她必須開發(fā)一種通過將較大的粒子播種在較小的粒子上來制造較大粒子的新方法。楊利用SLAC的斯坦福同步加速器輻射光源的X射線束確認(rèn)了她在SLAC的Simon Bare和他的團(tuán)隊的幫助下制成的納米粒子的成分。

然后，Yang進(jìn)行了實驗，其中使用了不同大小的納米粒子來催化將丙烯(一種存在于廢氣中的最常見的碳?xì)浠衔镏?轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水的反應(yīng)。

她說：“這里的水起著特別有趣和有益的作用。”“通常它會毒化或鈍化催化劑。但是在這里，暴露于水會使顆粒變得更圓，并開放了更多的活性位。”

結(jié)果證實，如計算研究所預(yù)測的那樣，較大的顆粒更具活性，并且在反應(yīng)過程中變得更圓且參差不齊。活性最高的粒子包含最大比例的一種特定原子構(gòu)型-一個其中兩個原子(每個原子被七個相鄰原子包圍)形成對以進(jìn)行反應(yīng)步驟。正是這些“ 7-7對”使大顆粒的性能優(yōu)于較小的顆粒。

楊說，展望未來，她希望弄清楚如何用便宜得多的材料播種納米粒子，以降低成本并減少稀有貴金屬的使用。

行業(yè)興趣

這項研究由領(lǐng)先的排放控制技術(shù)制造商巴斯夫公司通過加利福尼亞研究聯(lián)盟提供資金，該聯(lián)盟負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)巴斯夫科學(xué)家與包括斯坦福大學(xué)在內(nèi)的七所西海岸大學(xué)之間的研究。

“高級學(xué)者李躍進(jìn)說：“本文正在解決有關(guān)活性位點(diǎn)的基本問題，將理論和實驗觀點(diǎn)很好地結(jié)合在一起來解釋實驗現(xiàn)象。這是以前從未做過的，這就是為什么它意義重大的原因。參與這項研究的巴斯夫首席科學(xué)家。

他說：“最后，我們希望有一個理論模型可以預(yù)測哪種金屬或金屬組合物比我們現(xiàn)有技術(shù)具有更好的活性。”