科學(xué)家們創(chuàng)造了一種新型催化劑，它將帶來新的、可持續(xù)的制造和使用分子的方法，并保護貴金屬的供應(yīng)。

諾丁漢大學(xué)的一個研究小組設(shè)計了一種新型催化劑，該催化劑結(jié)合了以前被認(rèn)為是相互排斥的特征，并開發(fā)了一種大規(guī)模制造金屬納米團簇的工藝。

在他們今天發(fā)表在Nature Communications 上的新研究中，他們證明鈀納米團簇的行為不符合將催化劑定義為均質(zhì)或異質(zhì)的正統(tǒng)特征。

傳統(tǒng)上，催化劑分為均相（催化中心與反應(yīng)物分子緊密混合）和非均相（反應(yīng)發(fā)生在催化劑表面）。通常，化學(xué)家在選擇一種或另一種類型時必須做出妥協(xié)，因為均相催化劑更具選擇性和活性，而多相催化劑更耐用和可重復(fù)使用。然而，鈀原子的納米團簇似乎違背了傳統(tǒng)類別，正如通過研究它們在苯乙烯環(huán)丙烷化反應(yīng)中的催化行為所證明的那樣。

催化劑支持近 80% 的工業(yè)化學(xué)過程，這些過程提供我們經(jīng)濟中最重要的成分，從材料（如聚合物）和藥物到包括肥料和作物保護在內(nèi)的農(nóng)用化學(xué)品。對催化劑的高需求意味著許多有用金屬（包括金、鉑和鈀）的全球供應(yīng)正在迅速枯竭。挑戰(zhàn)在于將每個原子都發(fā)揮到最大潛力。利用納米團簇形式的金屬是增加可用于催化的活性表面積的最有效策略之一。此外，當(dāng)納米團簇的尺寸突破納米尺度時，金屬的性質(zhì)會發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致在宏觀尺度上無法實現(xiàn)的新現(xiàn)象。

研究小組使用分析和成像技術(shù)來探測納米團簇的結(jié)構(gòu)、動力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，以在原子水平上揭示這種不尋常催化劑的內(nèi)部工作原理。

該團隊的發(fā)現(xiàn)是釋放化學(xué)催化全部潛力的關(guān)鍵，導(dǎo)致以最原子效率和能量彈性的方式制造和使用分子的新方法。

這項研究由化學(xué)學(xué)院的推進未來信標(biāo)諾丁漢研究員 Jesum Alves Fernandes 博士領(lǐng)導(dǎo)，他說：“我們使用最直接的方法來制造納米團簇，只需通過一束快速光束將原子從大塊金屬中踢出氬離子——一種稱為磁控濺射的方法。通常，這種方法用于制作涂層或薄膜，但我們對其進行了調(diào)整，以生產(chǎn)幾乎可以沉積在任何表面上的金屬納米團簇。重要的是，納米團簇的大小可以通過以下方式精確控制實驗參數(shù)，從單個原子到幾納米，因此可以在幾秒鐘內(nèi)按需生成一系列均勻的納米團簇。”

該團隊的 Green Chemicals Beacon 博士后研究員 Andreas Weilhard 博士補充說：“通過這種方法生產(chǎn)的金屬簇表面是完全‘裸露的’，因此具有很高的活性，可以進行化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生高催化活性。”

MASI 首席研究員 Andrei Khlobystov 教授說：“我們的項目將徹底改變金屬在廣泛技術(shù)中的使用方式，并打破我們對極度瀕危元素的依賴。具體而言，MASI 將在以下方面取得進展：減少二氧化碳 (CO2 ) 排放及其轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品的價值；生產(chǎn)“綠色”氨 (NH3) 作為替代零排放燃料和新的儲氫載體；以及提供更可持續(xù)的燃料電池和電解技術(shù)。”

金屬納米簇被激活以與分子反應(yīng)，這可以由熱、光或電勢驅(qū)動，而與載體材料的可調(diào)節(jié)相互作用提供了催化劑的耐用性和可重復(fù)使用性。特別是，MASI 催化劑將用于活化難以裂解的分子（例如 N2 、H2和 CO2 ），這些反應(yīng)構(gòu)成化學(xué)工業(yè)的支柱，例如 Haber-Bosch 過程。