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(hù)貴金屬的供應(yīng)。

諾丁漢大學(xué)的一個(gè)研究小組設(shè)計(jì)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(tuán)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(tuán)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(shí)必須做出妥協(xié)，因?yàn)榫啻呋瘎└哌x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(tuán)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(jì)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(hù)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(gè)原子都發(fā)揮到最大潛力。利用納米團(tuán)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(tuán)簇的尺寸突破納米尺度時(shí)，金屬的性質(zhì)會(huì)發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致在宏觀尺度上無法實(shí)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(tuán)簇的結(jié)構(gòu)、動(dòng)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(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究由化學(xué)學(xué)院的推進(jìn)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(tuán)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(jìn)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(tuán)簇。重要的是，納米團(tuán)簇的大小可以通過以下方式精確控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)，從單個(gè)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(tuán)簇。”

該團(tuán)隊(duì)的 Green Chemicals Beacon 博士后研究員 Andreas Weilhard 博士補(bǔ)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(jìn)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(xiàng)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(jìn)展：減少二氧化碳 (CO2 ) 排放及其轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品的價(jià)值；生產(chǎn)“綠色”氨 (NH3) 作為替代零排放燃料和新的儲(chǔ)氫載體；以及提供更可持續(xù)的燃料電池和電解技術(shù)?！?/p>

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(dòng)，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。