科学家刚刚绘制出铂原子图谱——这可能彻底变革催化领域

催化——通过添加特定物质来加速化学反应——在工业和日常生活中都极其重要。约80%的化工产品是在催化作用下生产的，尾气催化器或燃料电池等技术也基于此原理。铂是一种特别高效且用途广泛的催化剂。然而，由于铂是非常稀有且昂贵的贵金属，其生产过程会产生大量CO₂排放，因此必须在最大化其效率的同时尽可能减少用量。

单原子催化剂

近年来，科学家们尝试开发所谓的单原子催化剂，其中每个原子都参与化学反应。这类催化剂通过将单个铂原子沉积在多孔载体材料（例如掺氮原子碳）表面制成。氮原子作为锚定点，铂原子可附着其上。

由苏黎世联邦理工学院化学与应用生命科学系的Javier Pérez-Ramírez和Christophe Copéret领导的研究团队，与里昂大学和奥胡斯大学的同事合作，现已证明此类单原子催化剂比之前认为的更复杂。通过核磁共振技术，他们发现此类催化剂中的单个铂原子可能具有截然不同的原子环境，这会影响其催化作用。未来，这一发现将推动开发更高效的催化材料。研究人员近期在《自然》科学期刊上发表了他们的研究成果。

偶然相遇促成突破

"此前，单个铂原子只能通过电子显微镜的'镜头'观察——虽然图像震撼，但无法揭示其催化特性，"Pérez-Ramírez表示。他与Copéret共同探讨如何更精确地表征单个铂原子。这次合作源于国家能力研究中心（NCCR）催化计划会议期间的一次偶然相遇。

会后，两位研究者萌生了尝试核磁共振技术的构想。该方法基于医院MRI（磁共振成像）原理，通常用于实验室分子研究：强静磁场中原子核的自旋会对特定共振频率的振荡磁场产生响应。分子内的共振频率取决于不同原子在分子中的排列方式。"同理，单个铂原子的共振频率受其邻近原子（如碳、氮或氧）及其相对于静磁场的取向影响，"Copéret解释道。

这导致产生多种共振频率，如同交响乐团中的不同音调。辨别特定音调由何种乐器发出并非易事。"机缘巧合，我们在里昂访问期间，其中一人遇到了同期到访的奥胡斯大学模拟专家，"Copéret说道。他补充说，此类相遇及其催生的合作对科学进步至关重要。该模拟专家与苏黎世联邦理工学院合作者共同开发了计算机代码，得以从混杂信号中筛选出单个铂原子的多种不同"音调"。

原子环境图谱构建

最终，这项技术在单原子催化剂表征领域取得突破：研究团队得以绘制显示铂原子周围原子类型与位置的图谱。"该分析方法为领域树立了新标杆，"Pérez-Ramírez评价道。

凭借这种广泛适用的方法，可优化单原子催化剂的生产方案，使所有铂原子具备定制化原子环境。这是团队面临的下一个挑战。"从知识产权角度看，我们的方法同样重要，"Copéret强调："能在原子层面精确描述催化剂，使我们能够通过专利保护它们。"