無論從經(jīng)濟(jì)，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(zhuǎn)化器中分解廢氣的昂貴金屬都是科學(xué)家的首要任務(wù)。人們需要使用催化劑來執(zhí)行化學(xué)反應(yīng)，否則就無法將汽車尾氣中的污染氣體轉(zhuǎn)化為可以排放到環(huán)境中的清潔化合物。為了改進(jìn)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(xué)）

　　據(jù)外媒報(bào)道，美國斯坦福大學(xué)（Stanford University）和能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室（Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)準(zhǔn)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(gè)問題：為什么尺寸更大的催化劑顆粒有時(shí)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(yīng)過程中，此類顆粒改變形狀的方式有關(guān)，會創(chuàng)造更多的高活性位點(diǎn)。

　　該項(xiàng)研究結(jié)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，否則汽車尾氣中的污染氣體就無法轉(zhuǎn)化為可以排放到環(huán)境中的清潔化合物。在汽車催化轉(zhuǎn)化器中，鈀和鉑等貴金屬的納米顆粒附著在陶瓷表面。當(dāng)需要排放的氣體流過時(shí)，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(yīng)，以生成水、二氧化碳和其他危害性較小的化學(xué)物質(zhì)。每個(gè)顆粒在耗盡之前，都會催化數(shù)十億次反應(yīng)。

　　研究人員表示，現(xiàn)在的催化轉(zhuǎn)化器是為高溫工作而設(shè)計(jì)，因此大多數(shù)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(jī)經(jīng)過設(shè)計(jì)，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(shí)此類催化劑也需要用于短期內(nèi)無法轉(zhuǎn)為電動化的船舶和卡車。

（圖片來源：斯坦福大學(xué)）

　　但是，是什么原因?qū)е乱环N催化劑比另一種更活躍呢？答案一直都很難以捉摸。在該項(xiàng)研究中，研究小組從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)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(shí)現(xiàn)更高活性的特定原子結(jié)構(gòu)。

　　在理論方面，SLAC科學(xué)家Frank Abild-Pedersen與研究團(tuán)隊(duì)在SUNCAT界面科學(xué)和催化中心創(chuàng)造了一個(gè)新方法，來模擬在化學(xué)反應(yīng)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(jié)構(gòu)。Abild-Pedersen表示，這在計(jì)算上非常困難，而此前的研究假設(shè)顆粒存在于真空中，而且不會改變。

　　他的團(tuán)隊(duì)則創(chuàng)造了更簡單的新方法，在一個(gè)更復(fù)雜、更真實(shí)的環(huán)境中模擬顆粒。博士后研究人員Tej Choksi和Verena Streibel的計(jì)算表明，隨著反應(yīng)的發(fā)生進(jìn)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(tuán)隊(duì)希望能夠精確地找到對此種顆粒催化活性最有作用的結(jié)構(gòu)設(shè)置，甚至是原子設(shè)置。

　　博士生Angel Yan制造了尺寸得到精確控制的納米顆粒，每個(gè)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(diǎn)，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(rèn)該納米顆粒的成分。

　　然后，Yang進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，用不同尺寸的納米顆粒催化一種反應(yīng)，將丙烯（廢氣中最常見的碳?xì)浠衔镏唬┺D(zhuǎn)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(xiàn)在，與水接觸讓該顆粒變得更圓，而且打開了更活躍的位點(diǎn)?！?/span>

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，顆粒更大的更活躍，在反應(yīng)中會變得更圓，鋸齒更明顯，正如計(jì)算研究所預(yù)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(gè)原子，每個(gè)原子被7個(gè)相鄰的原子包圍，成為一對，以進(jìn)行反應(yīng)，此種7-7對使得大顆粒比小顆粒的表現(xiàn)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）