科学家成功绘制铂原子结构图——这可能永久改变催化领域

催化——通过添加特定物质加速化学反应——在工业和日常生活中都极其重要。约80%的化学产品是在催化作用下生产的，尾气催化剂或燃料电池等技术也基于此原理。铂金是一种特别高效且用途广泛的催化剂。然而，由于铂金是极其稀有昂贵的贵金属，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。这类催化剂通过将铂单原子沉积在多孔载体材料表面制成，例如掺杂氮原子的碳材料。氮原子作为锚定点使铂原子能够附着。

由苏黎世联邦理工学院化学与应用生命科学系的哈维尔·佩雷斯-拉米雷斯和克里斯托夫·科佩雷领导的研究团队，与里昂大学及奥胡斯大学的同事合作，现已证明这类单原子催化剂比此前认知更为复杂。借助核磁共振技术，他们发现此类催化剂中的单个铂原子可能处于截然不同的原子环境中，从而影响其催化作用。这项发现将推动未来开发更高效的催化材料。研究人员近期在科学期刊Nature上发表了研究成果。

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'透镜'观察——视觉效果震撼但无法揭示其催化特性，"佩雷斯-拉米雷斯表示。他与科佩雷共同探讨如何更精确表征单个铂原子。双方合作始于瑞士国家催化能力中心(NCCR Catalysis)项目会议期间的偶然相遇。

会后，两位研究者萌生了尝试核磁共振的想法。该方法作为医院MRI的基础技术，通常用于实验室分子研究——在强静态磁场中，原子核的自旋会对特定共振频率的振荡磁场产生响应。分子中的共振频率取决于原子排列方式。"同理，铂单原子的共振频率受其邻近原子（如碳、氮或氧）及其相对于静态磁场的取向影响，"科佩雷解释道。

这会产生多种共振频率，宛如交响乐中的不同音调。辨别特定音调源自何种乐器并不容易。"幸运的是，我们中有人在里昂访问时，恰遇同期到访的奥胡斯大学模拟专家，"科佩雷说道。他强调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，成功从混杂信号中滤出铂单原子的多种"音调"。

原子环境图谱化

这一突破最终实现了对单原子催化剂的精准描述：研究团队得以绘制出铂原子周围原子的类型与位置图谱。"该分析方法为本领域树立了新标杆，"佩雷斯-拉米雷斯评价道。

凭借这种普适性强的方法，可优化单原子催化剂的生产方案，使所有铂原子获得定制化环境。这将成为团队的下阶段挑战。"从知识产权角度看，该方法同样意义重大，"科佩雷指出："能精确描述原子级催化剂特征，使我们可通过专利进行保护。"