無論從經濟，還是環(huán)境方面來考慮，用更便宜、更高效的材料取代催化轉化器中分解廢氣的昂貴金屬都是科學家的首要任務。人們需要使用催化劑來執(zhí)行化學反應，否則就無法將汽車尾氣中的污染氣體轉化為可以排放到環(huán)境中的清潔化合物。為了改進催化劑，研究人員們需要更加深入地了解此類催化劑的工作原理。

（圖片來源：斯坦福大學）

　　據外媒報道，美國斯坦福大學（Stanford University）和能源部SLAC國家加速器實驗室（Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory）的一個團隊已經準確地確定，鈀和鉑納米顆粒中哪一對原子對分解此類廢氣最活躍。他們還解答了困擾催化劑研究人員的一個問題：為什么尺寸更大的催化劑顆粒有時比尺寸更小的好，與大家原來的想法完全相反？答案與在反應過程中，此類顆粒改變形狀的方式有關，會創(chuàng)造更多的高活性位點。

　　該項研究結果對改善工業(yè)過程和排放控制中催化劑的性能邁出了重要一步。人們需要使用催化劑來進行化學反應，否則汽車尾氣中的污染氣體就無法轉化為可以排放到環(huán)境中的清潔化合物。在汽車催化轉化器中，鈀和鉑等貴金屬的納米顆粒附著在陶瓷表面。當需要排放的氣體流過時，該納米顆粒表面的原子會吸附氣體分子，促使它們與氧氣發(fā)生反應，以生成水、二氧化碳和其他危害性較小的化學物質。每個顆粒在耗盡之前，都會催化數十億次反應。

　　研究人員表示，現在的催化轉化器是為高溫工作而設計，因此大多數有害排放氣體都來自剛剛開始加熱的車輛。隨著越來越多的發(fā)動機經過設計，可以在較低溫度下工作，人們迫切需要找到能夠在此類溫度條件下，工作得更好的新型催化劑，同時此類催化劑也需要用于短期內無法轉為電動化的船舶和卡車。

（圖片來源：斯坦福大學）

　　但是，是什么原因導致一種催化劑比另一種更活躍呢？答案一直都很難以捉摸。在該項研究中，研究小組從理論和實驗兩個角度觀察了由鉑和鈀制成的催化劑納米顆粒，看看是否能夠在其表面識別出實現更高活性的特定原子結構。

　　在理論方面，SLAC科學家Frank Abild-Pedersen與研究團隊在SUNCAT界面科學和催化中心創(chuàng)造了一個新方法，來模擬在化學反應中，暴露在氣體和蒸汽中會如何影響催化納米顆粒的形狀和原子結構。Abild-Pedersen表示，這在計算上非常困難，而此前的研究假設顆粒存在于真空中，而且不會改變。

　　他的團隊則創(chuàng)造了更簡單的新方法，在一個更復雜、更真實的環(huán)境中模擬顆粒。博士后研究人員Tej Choksi和Verena Streibel的計算表明，隨著反應的發(fā)生進行，八面狀的納米顆粒會變得更圓，從而其扁平的表面會變成一系列鋸齒狀的小臺階。

　　通過打造、測試不同尺寸的納米顆粒，每一種都有不同比例的鋸齒狀邊緣與平面，該團隊希望能夠精確地找到對此種顆粒催化活性最有作用的結構設置，甚至是原子設置。

　　博士生Angel Yan制造了尺寸得到精確控制的納米顆粒，每個納米顆粒都包含均勻分布的鈀和鉑原子混合物。為了做到這一點，必須研發(fā)新方法，通過在較小的顆粒周圍“播種”以制出較大的顆粒。Yang采用了SLAC斯坦福同步輻射光源的X射線來確認該納米顆粒的成分。

　　然后，Yang進行了實驗，用不同尺寸的納米顆粒催化一種反應，將丙烯（廢氣中最常見的碳氫化合物之一）轉化為二氧化碳和水。Yang表示：“水在這里發(fā)揮了有趣且有益的作用。通常情況下，水會使催化劑中毒或失效，但是現在，與水接觸讓該顆粒變得更圓，而且打開了更活躍的位點?！?/span>

　　實驗結果證實，顆粒更大的更活躍，在反應中會變得更圓，鋸齒更明顯，正如計算研究所預測的那樣。最活躍的顆粒包含特定原子配置的最大比例，有2個原子，每個原子被7個相鄰的原子包圍，成為一對，以進行反應，此種7-7對使得大顆粒比小顆粒的表現更好。

　　未來，Yang希望弄清楚如何利用更便宜的材料“播種”納米顆粒，從而降低成本，減少使用稀有貴金屬。（余秋云）