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(huì)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(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)準(zhǔn)確識(shí)別出鈀和鉑納米顆粒(轉(zhuǎn)換器中常用的組合)中的哪對(duì)原子在分解這些氣體中最活躍。

他們還回答了一個(gè)使催化劑研究人員感到困惑的問(wèn)題：當(dāng)您期望相反時(shí)，為什么較大的催化劑有時(shí)有時(shí)比較小的催化劑工作得更好?答案與顆粒在反應(yīng)過(guò)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(shuō)，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(guò)程和排放控制的性能。他們的報(bào)告于6月17日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

“這項(xiàng)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(gè)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(wú)害的水和二氧化碳，這非常重要，而且難以實(shí)現(xiàn)，卡涅羅說(shuō)。“現(xiàn)在我們知道了活性位點(diǎn)，我們可以設(shè)計(jì)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(huì)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(guò)，納米顆粒表面上的原子會(huì)閂鎖在通過(guò)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(gè)粒子催化數(shù)十億次反應(yīng)。

Cargnello說(shuō)，當(dāng)今的催化轉(zhuǎn)化器被設(shè)計(jì)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(lái)自剛剛開(kāi)始預(yù)熱的車輛的原因。隨著更多的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)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(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)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(shí)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(shuō)，這在計(jì)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(jiǎn)單的方法來(lái)在更復(fù)雜，更真實(shí)的環(huán)境中對(duì)粒子建模。博士后研究人員Tej Choksi和Verena Streibel的計(jì)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(tái)階。

通過(guò)創(chuàng)建和測(cè)試不同尺寸的納米顆粒，每個(gè)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(gè)原子對(duì)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(gè)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(kāi)發(fā)一種通過(guò)將較大的粒子播種在較小的粒子上來(lái)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(duì)的幫助下制成的納米粒子的成分。

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

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

結(jié)果證實(shí)，如計(jì)算研究所預(yù)測(cè)的那樣，較大的顆粒更具活性，并且在反應(yīng)過(guò)程中變得更圓且參差不齊?；钚宰罡叩牧Ｗ影畲蟊壤囊环N特定原子構(gòu)型-一個(gè)其中兩個(gè)原子(每個(gè)原子被七個(gè)相鄰原子包圍)形成對(duì)以進(jìn)行反應(yīng)步驟。正是這些“ 7-7對(duì)”使大顆粒的性能優(yōu)于較小的顆粒。

楊說(shuō)，展望未來(lái)，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(xiàng)研究由領(lǐng)先的排放控制技術(shù)制造商巴斯夫公司通過(guò)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(jí)學(xué)者李躍進(jìn)說(shuō)：“本文正在解決有關(guān)活性位點(diǎn)的基本問(wèn)題，將理論和實(shí)驗(yàn)觀點(diǎn)很好地結(jié)合在一起來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這是以前從未做過(guò)的，這就是為什么它意義重大的原因。參與這項(xiàng)研究的巴斯夫首席科學(xué)家。

他說(shuō)：“最后，我們希望有一個(gè)理論模型可以預(yù)測(cè)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。”