斯坦福大学研究证实尺寸更大的催化剂颗粒更活跃 可转化汽车尾气

无论从经济，还是环境方面来考虑，用更便宜、更高效的材料取代催化转化器中分解废气的昂贵金属都是科学家的首要任务。人们需要使用催化剂来执行化学反应，否则就无法将汽车尾气中的污染气体转化为可以排放到环境中的清洁化合物。为了改进催化剂，研究人员们需要更加深入地了解此类催化剂的工作原理。

（图片来源：斯坦福大学）

　　据外媒报道，美国斯坦福大学（Stanford University）和能源部SLAC国家加速器实验室（Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory）的一个团队已经准确地确定，钯和铂纳米颗粒中哪一对原子对分解此类废气最活跃。他们还解答了困扰催化剂研究人员的一个问题：为什么尺寸更大的催化剂颗粒有时比尺寸更小的好，与大家原来的想法完全相反？答案与在反应过程中，此类颗粒改变形状的方式有关，会创造更多的高活性位点。

　　该项研究结果对改善工业过程和排放控制中催化剂的性能迈出了重要一步。人们需要使用催化剂来进行化学反应，否则汽车尾气中的污染气体就无法转化为可以排放到环境中的清洁化合物。在汽车催化转化器中，钯和铂等贵金属的纳米颗粒附着在陶瓷表面。当需要排放的气体流过时，该纳米颗粒表面的原子会吸附气体分子，促使它们与氧气发生反应，以生成水、二氧化碳和其他危害性较小的化学物质。每个颗粒在耗尽之前，都会催化数十亿次反应。

　　研究人员表示，现在的催化转化器是为高温工作而设计，因此大多数有害排放气体都来自刚刚开始加热的车辆。随着越来越多的发动机经过设计，可以在较低温度下工作，人们迫切需要找到能够在此类温度条件下，工作得更好的新型催化剂，同时此类催化剂也需要用于短期内无法转为电动化的船舶和卡车。

（图片来源：斯坦福大学）

　　但是，是什么原因导致一种催化剂比另一种更活跃呢？答案一直都很难以捉摸。在该项研究中，研究小组从理论和实验两个角度观察了由铂和钯制成的催化剂纳米颗粒，看看是否能够在其表面识别出实现更高活性的特定原子结构。

　　在理论方面，SLAC科学家Frank Abild-Pedersen与研究团队在SUNCAT界面科学和催化中心创造了一个新方法，来模拟在化学反应中，暴露在气体和蒸汽中会如何影响催化纳米颗粒的形状和原子结构。Abild-Pedersen表示，这在计算上非常困难，而此前的研究假设颗粒存在于真空中，而且不会改变。

　　他的团队则创造了更简单的新方法，在一个更复杂、更真实的环境中模拟颗粒。博士后研究人员Tej Choksi和Verena Streibel的计算表明，随着反应的发生进行，八面状的纳米颗粒会变得更圆，从而其扁平的表面会变成一系列锯齿状的小台阶。

　　通过打造、测试不同尺寸的纳米颗粒，每一种都有不同比例的锯齿状边缘与平面，该团队希望能够精确地找到对此种颗粒催化活性最有作用的结构设置，甚至是原子设置。

　　博士生Angel Yan制造了尺寸得到精确控制的纳米颗粒，每个纳米颗粒都包含均匀分布的钯和铂原子混合物。为了做到这一点，必须研发新方法，通过在较小的颗粒周围“播种”以制出较大的颗粒。Yang采用了SLAC斯坦福同步辐射光源的X射线来确认该纳米颗粒的成分。

　　然后，Yang进行了实验，用不同尺寸的纳米颗粒催化一种反应，将丙烯（废气中最常见的碳氢化合物之一）转化为二氧化碳和水。Yang表示：“水在这里发挥了有趣且有益的作用。通常情况下，水会使催化剂中毒或失效，但是现在，与水接触让该颗粒变得更圆，而且打开了更活跃的位点。”

　　实验结果证实，颗粒更大的更活跃，在反应中会变得更圆，锯齿更明显，正如计算研究所预测的那样。最活跃的颗粒包含特定原子配置的最大比例，有2个原子，每个原子被7个相邻的原子包围，成为一对，以进行反应，此种7-7对使得大颗粒比小颗粒的表现更好。

　　未来，Yang希望弄清楚如何利用更便宜的材料“播种”纳米颗粒，从而降低成本，减少使用稀有贵金属。（余秋云）