研究表明单个原子作为催化剂的重要性

盖世汽车讯 日前，奥地利维也纳工业大学的一个研究小组表明，当颗粒达到最小尺寸，即单个原子时，一切都会发生彻底改变。金或铂等金属通常被用作催化剂。如在车辆催化转化器中，铂纳米颗粒可将有毒的一氧化碳转化为无毒的CO2。由于铂和其他催化活性金属昂贵且稀有，因此，纳米颗粒变得越来越小。

单个原子催化剂是尺寸缩小的逻辑终点：金属不再以颗粒形式存在，而是以单个原子形式存在，只需固定在更便宜的载体材料表面即可。因此，由较大金属块衍生出的、判断金属是良好催化剂与否的原则也不再适用于单原子，原则需要进行修改，且维也纳工业大学已修订完成。结果证明，基于低廉材料的单原子催化剂可能会更高效。该结果现已发表于《Science》期刊。

（图片来源：Science）

只有金属的外层原子才能在化学过程中发挥作用，而内层原子永远不会与环境接触。因此，为节省材料，金属颗粒最好体积微小，而非大块，从而使更多原子驻留在表面。如果可以达到极限使用单个原子，则每个原子都具有化学活性。过去十年里，“单原子”催化领域迅速发展，并取得了巨大成功。

维也纳工业大学应用物理研究所Gareth Parkinson教授表示：“20世纪70年代，人们已经对贵金属可作为良好催化剂的原因进行了研究。例如，Gerhard Ertl凭借对催化的原子级见解而获得了2007年诺贝尔化学奖。”

一块金属中，电子不再被分配给特定的原子，且电子态是由许多原子的相互作用产生。Gareth Parkinson表示：“对于单个原子，旧模型不再适用。单个原子不会像金属一样共享电子，因此电子带（其能量是解释催化作用的关键）在此类状况下并不存在。”

近年来Gareth Parkinson及其团队一直在深入研究这种单原子催化背后的原子机制。Gareth Parkinson称：“在许多情况下，被认为是良好催化剂的金属同样是单原子形式的良好催化剂。因为，在这两种状态下，催化剂的电子相同，也就是所谓的d电子。”

单原子催化中出现了全新可能性，而该可能性在普通金属粒子中无法实现。Parkinson解释道：“由于表面放置的是金属原子，且形成了原子键，因此我们可以改变原子的反应性。”

在某些情况下，昂贵金属（如铂金）不再是最佳选择。Parkinson还说：“单个镍原子给一氧化碳氧化带来巨大希望。如果我们了解单原子催化的原子机理，就会更有可能影响化学过程。”维也纳工业大学以这种方式精确分析了八种不同的金属，其结果与维也纳大学Cesare Franchini教授合作开发的理论模型完全吻合。

Gareth Parkinson强调：“催化剂在许多领域都非常重要，尤其是在可再生能源经济领域至关重要的化学反应。新方法表明，催化剂不一定总是铂金。”原子的局部环境起着决定性作用，如果选择正确，就可以开发出更好的催化剂，节省资源和成本。

（ HN666）