研究人员揭示了催化剂活性位点的原子尺度细节

化学和能源工业依赖催化剂来驱动用于制造其产品的反应。许多重要的反应使用非均相催化剂，这意味着催化剂与它们所反应的物质处于不同的物质相，例如固体铂与汽车催化转化器中的气体反应

科学家们研究了定义明确的单晶表面，阐明了许多化学反应背后的机制。然而，还有很多东西需要学习。对于非均相催化剂，其3D原子结构、化学成分和反应发生的活性位点的性质长期以来一直难以捉摸

该团队的技术可能会深刻影响对催化剂活性位点的基本理解，并使工程师能够以优化其性能的方式合理设计纳米催化剂，而目前的方法更接近于试错法

这项研究发表在《自然催化》7月刊的封面上，由通讯作者和CNSI成员、加州大学洛杉矶分校学院物理和天文学教授苗建伟领导；Yu Huang，Traugott和Dorothea Frederking特聘教授，加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院材料科学与工程系主任；Philippe Sautet，杰出的化学和生物分子工程教授，加州大学洛杉矶分校Samueli研究生教育副主席

利用他们为称为原子电子断层扫描的显微镜技术开发的进展，该团队研究了11个纳米粒子，这些纳米粒子由单独的铂镍合金或该合金加上痕量的钼组成，钼是另一种可以用作催化剂的金属。研究人员能够以原子分辨率测量许多特征，包括纳米粒子的刻面、表面凹痕以及催化剂结构和化学成分的相对有序性

来自原子电子断层扫描的数据被插入到基于物理和化学基本原理训练的人工智能模型中。通过这些算法，研究人员确定了催化发生的活性位点。然后，这些发现通过现实世界的测量得到了验证

科学家们的观察表明，表面铂位点的化学活性差异很大，相差几个数量级。该团队在单个原子水平上对纳米催化剂的结构和化学活性之间的关系进行了全面分析，以制定一个方程，为纳米催化剂的活性位点提供定量见解

尽管这项研究侧重于特定电化学反应中的铂基合金纳米催化剂，但一般方法可以应用于各种反应的各种纳米催化剂，以确定原子的局部3D位置，以及催化剂的元素组成和表面组成

该研究的第一作者是中国西湖大学的姚洋和加州大学洛杉矶分校的周继汉、赵和孙耿。其他合著者包括加州大学洛杉矶分校的Saman Moniri、Yongsoo Yang、Ziyang Wei、Yakun Yuan和Yang Liu；劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂的Colin Ophus、Jim Ciston和Peter Ercius；科罗拉多大学博尔德分校的程竺和亨德里克·海因茨；东北大学的孙强和贾庆英 More information: Yao Yang et al, Atomic-scale identification of active sites of oxygen reduction nanocatalysts, Nature Catalysis (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01175-8

Journal information: Nature Catalysis