對納米尺度催化劑的首次觀察展示了「缺陷」的作用

OFweek激光網訊：利用世界上最亮的光源之一來研究一些世界最小的顆粒，科學家證實了一個長期的假設：納米粒子邊緣處的原子的無序或「缺陷」是使它們成為有效的化學改變劑的原因。

改變劑或催化劑加速化學反應的過程，是製造許多日常生活必需品的關鍵，如塑料、燃料和肥料。這個過程被稱為催化，它是化學工業的一個基本支柱，其使化學反應更高效和需要更少的能源，減少甚至消除有害物質的使用和生成。

雖然催化劑已經在工業中使用了一個多世紀，科學家們還沒有觀察到它們的結構是如何影響其作為改變劑的效率的。這是因為催化劑通常是由貴金屬如鉑、鈀和錸來製成的微小的金屬納米顆粒。使納米粒子成為高效催化劑的極小的尺寸也使得我們很難觀察到它們是如何工作的。

如果科學家能在納米級的水平上窺視單個納米粒子的化學反應，他們將會獲得很多有用的知識來改進催化劑的設計，以解決二十一世紀的緊迫的能源需求。

這張圖顯示了位於伯克利實驗室先進光源設備上的一個實驗裝置，該裝置使用紅外光（紅色顯示）和原子力顯微鏡（圖的中部和頂部）來研究長度約為100納米的塗層鉑微粒（黃色部分）的局域表面化學性質。

這些知識現在可能就在眼前了，這要歸功於1月11日發表在《自然》雜誌上的最新研究。在這項新的研究中，由耶路撒冷希伯來大學化學研究所和納米科學中心的Elad Gross博士和加州大學伯克利分校化學學院和勞倫斯伯克利國家實驗室的F． Dean Toste教授領導的研究人員，第一次直接觀察到了在許多工業過程中作為催化劑使用的金屬納米顆粒是如何激活催化過程的。

通過使用一個比太陽亮度高出一百萬倍的光源，研究人員能夠在與工業中所使用的催化劑類似的鉑顆粒上觀察其化學反應活性。他們發現，化學反應活性主要發生在粒子的外圍或邊緣，而在中心其反應活性較低。

鉑顆粒的中心和邊緣觀察到的不同的反應活性對應於在這兩個位置的鉑原子的不同性質。在顆粒中心，原子大多是平坦的，而在邊緣，它們呈褶皺狀，顯得更雜亂無序。這種無序或「缺陷」的結構意味著邊緣的鉑原子不是完全被其它鉑原子所包圍著，因此與反應物分子形成了更強的相互作用。更強的相互作用可以激活反應物分子，並啟動化學反應，將反應物分子轉化為所需的產物。

該研究結果驗證了一個在催化劑的世界裡眾所周知的假設——高催化反應活性與高原子缺陷密度相關。其也第一次證明了可以在單個顆粒的水平上識別出缺陷位置的增強活性。

「我們的發現提供了有關催化劑的原子結構控制其反應活性的方法的見解。這方面的知識可以指導改進催化劑的設計，通過減少化學反應所需的能量，和防止不必要的和具有潛在危險的產品的形成，使得工業化學過程更加環保。」來自耶路撒冷希伯來大學化學研究所和納米科學中心的Elad Gross博士說。

為了研究單個納米粒子，研究人員將一束由一個同步加速器光源（先進光源，勞倫斯伯克利國家實驗室）產生的明亮的紅外光束聚焦到一個針尖直徑只有20納米的細探針裡面。該探針就像一根天線，將紅外線定位在特定的範圍內，通過這樣，提供了識別駐留在催化納米顆粒表面上的分子的能力。通過在納米顆粒被紅外光輻射時用納米探針掃描這些顆粒，研究人員能夠分辨出化學反應在顆粒表面發生的位置和條件。

耶路撒冷希伯來大學是以色列領先的學術和研究機構，產出了以色列三分之一的民用研究成果。