科学家绘制出单原子催化剂：铂的秘密世界

苏黎世联邦理工学院的科学家们开发出一种强大的方法，可以深入研究单原子催化剂——在这种材料中，每个原子都在驱动化学反应中发挥着至关重要的作用。他们利用一种名为核磁共振（类似于核磁共振成像扫描的技术）的技术，揭示了铂原子在原子层面上如何与周围环境相互作用。这一突破有望带来更环保、更高效的化学品制造方法，使用更少的珍贵材料。

该催化剂由单个铂原子（红色）和氮原子（蓝色）以及碳原子（灰色）包围构成。利用核磁共振技术，如今首次能够精确地研究此类原子环境。图片来源：Javier Pérez-Ramírez / 苏黎世联邦理工学院

研究人员利用核磁共振研究固体材料内的单个铂原子。该技术揭示了哪些原子与铂相连以及它们在空间中的位置。

这种详细的原子洞察力使科学家能够设计出更均匀、更有效的单原子催化剂。这一发现为更快、更清洁的化学反应打开了大门，这种反应使用更少的铂并产生更少的废物。该方法可以通过改进催化剂的制造和使用方式来帮助推动可持续化学的发展。

催化是通过添加特殊物质来加速化学反应的过程，在现代生活中发挥着巨大的作用。事实上，大约80%的化学产品——从燃料到药品——都是用催化剂制造的。汽车尾气排放系统和燃料电池等技术也依赖于催化剂。

铂是最有效且应用最广泛的催化剂之一。它能够高效地引发反应，但也存在一些重大缺陷。铂稀有且昂贵，而且生产过程中会释放大量的二氧化碳。因此，科学家们迫切希望找到减少铂用量，同时又能最大程度发挥其性能的方法。

近年来，研究人员一直在探索一种被称为单原子催化剂的新型催化剂。这种材料中，单个铂原子分散在多孔表面，例如注入氮的碳。氮原子有助于将每个铂原子固定在适当位置，确保每个原子都在化学反应中发挥作用。

如今，由苏黎世联邦理工学院的Javier Pérez-Ramírez和Christophe Copéret领导的科学家团队，与来自里昂大学和奥胡斯大学的同事们一起，取得了一项令人兴奋的发现。他们发现，这些单原子催化剂比之前认为的要复杂得多。

研究团队利用一种名为核磁共振（类似于核磁共振扫描）的强大技术，发现每个铂原子所处的环境略有不同。原子周围环境的这些细微差异实际上会影响每个原子作为催化剂的性能。

他们的研究成果最近发表在《自然》杂志上，为创造更智能、更高效的催化剂打开了大门。通过微调每个铂原子周围的原子结构，未来的材料能够提供更高性能，同时减少对环境的影响——这对工业和地球来说都是巨大的胜利。

在电子显微镜下（左图），所有铂原子看起来都一样。新的核磁共振方法可以以地图的形式显示相邻原子（彩色圆圈）及其方向。图片来源：Jonas Koppe / 苏黎世联邦理工学院

“到目前为止，单个铂原子只能通过电子显微镜的‘透镜’进行观察——这看起来令人印象深刻，但并不能告诉我们太多关于它们催化特性的信息，”Pérez-Ramírez说道。他与Copéret一起思考如何更精确地表征单个铂原子。这次合作始于NCCR催化项目框架下的一次会议中的一次偶然相遇。

会谈结束后，两位研究人员萌生了尝试核磁共振的想法。核磁共振是医院核磁共振成像（MRI）的基础，通常用于实验室分子研究。在强静磁场中，原子核的自旋会对特定共振频率的振荡磁场做出反应。在分子中，这个共振频率取决于分子内部不同原子的排列方式。“同样，单个铂原子的共振频率也会受到其邻近原子（例如碳、氮或氧）及其相对于静磁场方向的影响，”Copéret 解释道。

这会产生许多不同的共振频率，就像管弦乐队演奏的不同音调一样。找出哪种乐器发出特定的音调并不容易。“很幸运，在一次访问里昂期间，我们中的一个人遇到了一位来自奥胡斯的模拟专家，他也在里昂访问。”科佩雷说道。他补充道，这样的邂逅以及由此产生的合作对科学进步至关重要。这位模拟专家与苏黎世联邦理工学院的合作者一起开发了一套计算机代码，能够从混乱的音调中滤除单个铂原子发出的众多不同“音调”。

最终，这促成了单原子催化剂描述的突破：研究团队现在能够绘制出一种图谱，显示铂原子周围原子的类型和位置。“这种分析方法为该领域树立了新的标杆，”Pérez-Ramírez说道。

利用这种广泛应用的方法，可以优化单原子催化剂的生产方案，使所有铂原子都拥有定制的环境。这是该团队面临的下一个挑战。“从知识产权的角度来看，我们的方法也很重要，”Copéret说道，“能够在原子层面上精确描述催化剂，使我们能够通过专利来保护它们。”

编译自/scitechdaily