科学家刚刚绘制出铂原子图谱——这可能彻底改变催化领域

催化——通过添加特定物质加速化学反应的过程——在工业和日常生活中都极为重要。约80%的化工产品借助催化技术生产，尾气催化转化器和燃料电池等技术也基于这一原理。铂金是一种特别高效且用途广泛的催化剂，但由于这种贵金属储量稀少、价格昂贵，且生产过程会产生大量二氧化碳排放，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，科学家尝试开发所谓的单原子催化剂，其中每个原子都能参与化学反应。这类催化剂通过将单个铂原子沉积在多孔载体材料（如掺氮碳材料）表面制成，氮原子作为铂原子的锚定位点。

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合作者共同发现，这类单原子催化剂比以往认知更为复杂。通过核磁共振技术，他们证实催化剂中单个铂原子可能具有截然不同的原子环境，这些环境会影响其催化作用。这项发现将为开发更高效的催化材料奠定基础，相关成果已发表于《自然》期刊。

偶然相遇促成突破

"过去我们只能通过电子显微镜的'镜头'观察单个铂原子——虽然图像惊艳，但无法揭示其催化特性，"Pérez-Ramírez解释道。他与Copéret开始探讨如何更精确表征单个铂原子。这项合作的契机源自瑞士国家催化研究能力中心(NCCR)项目会议期间的一次偶遇。

会后，两位研究者萌生了尝试核磁共振的想法。这种医院MRI扫描的基础技术通常用于实验室分子研究，其原理是原子核自旋在强静磁场中对特定共振频率振荡磁场的响应。分子中的共振频率取决于原子排列方式。"同理，单个铂原子的共振频率也受其邻近原子（如碳、氮或氧）及它们与静磁场相对取向的影响，"Copéret解释道。

这会产生多种共振频率，犹如交响乐中不同的音调。辨别特定音调的来源乐器颇具挑战性。"幸运的是，我们在里昂访问时遇到了同期到访的奥胡斯大学模拟专家，"Copéret表示。他补充道，这类偶遇及其催生的合作对科研进展至关重要。该专家与苏黎世联邦理工学院团队共同开发了计算机代码，成功从复杂信号中筛选出单个铂原子的多种"音调"。

原子环境图谱

这项突破最终实现了单原子催化剂的精准描述：研究团队绘制出显示铂原子周围原子类型与位置的环境图谱。"这种分析方法确立了该领域的新标杆，"Pérez-Ramírez评价道。

通过这种普适性方法，可以优化单原子催化剂的生产工艺，使所有铂原子获得定制化原子环境。这是团队面临的下一个挑战。"从知识产权角度看，这种方法也具有重要意义，"Copéret指出："能够在原子层面精确描述催化剂，使我们能通过专利对其进行保护。"