盖世汽车讯 据外媒报道，来自美国能源部布鲁克海文国家实验室、石溪大学（SBU）和其他合作机构的科学家们揭示出铂基催化剂在水煤气变换反应中的动态原子级细节。该反应可将一氧化碳（CO）和水（H2O）转化为二氧化碳（CO2）和氢气（H2），对生成并提纯氢气以及生成碳氢化合物具有重要意义。氢气可应用于多个领域，如燃料电池汽车中的清洁燃料。
但由于铂稀有且昂贵，科学家们一直在寻找可以减少铂使用量的催化剂制作方法。因此，准确了解铂的作用至关重要。该项研究识别出催化剂活性位点中涉及的原子，并提供证据，表明只有部分铂原子在化学反应中起重要作用。
（图片来源：布鲁克海文国家实验室）
SBU材料科学与化学工程系的首席科学家Yuanyuan Li表示：“催化剂由二氧化铈（ceria）表面上的铂纳米粒子（铂原子团）组成。其中一些铂原子位于纳米粒子表面，一些在核中；一些位于与二氧化铈界面，还有一些位于界面外围。由于原子可能暴露在外，也可能没有，因此其所在位置以及置于表面的方式都可能会影响原子与载体或气体分子发生的相互作用。”
早期实验对于反应发生的位置，是在纳米粒子还是在单个孤立的铂原子，以及活性位是带正电荷、负电荷还是中性发生分歧。对于二氧化铈载体如何与铂相互作用以激活催化活性的细节也不清楚。Li表示：“我们想解决上述问题。为了确定活性位点及其实际发生情况，在原子层面研究这类催化剂是最好的方式。”
布鲁克海文功能纳米材料中心（CFN）以及美国和瑞典机构的科学家们使用一系列技术，在反应条件下对催化剂进行研究，捕获到了催化剂在反应条件下达到活性状态时发生的特殊作用。 研究人员Frenkel表示：“在电子显微镜实验中，粒子周围的铂原子不断地聚焦和失焦（in and out of focus），而其余原子则较稳定。”当从反应分子流中除去一些反应物（一氧化碳或水）时，未观察到这种动态行为。
Li表示：“纳米颗粒和二氧化铈载体之间的界面周围只有铂原子提供催化活性。这些周边位置的动态特性允许CO从水中获取氧气生成CO2，而水（H2O）则失去氧气而变成氢气。”现在，科学家们知道哪些铂原子在催化剂中发挥了积极作用，也许能够设计出仅包含活性铂原子的催化剂。Li还表示：“我们可能认为所有表面铂原子都在起作用，但事实并非如此。通过除去反应中不涉及的原子可以降低催化剂的成本，而且这种机制也可以推广到其他催化体系和反应。”
实验细节
CFN和美国国家标准技术研究院的电子显微镜“快照”揭示了周边铂原子的动态性质。Li声称：“在某些图像中我们可以看到周边位置，但在某些图像中，它又不存在。这证明这些原子是动态的，且具有很高的迁移率。”
布鲁克海文化学分部的红外（IR）光谱研究表明，外围位置的出现与“氧空位”（一种氧化铈表面的缺陷）相吻合。研究还表明，CO倾向于通过铂纳米颗粒表面向周边原子迁移，并且羟基（OH）基团徘徊在周边铂原子附近的二氧化铈载体上。
Li表示：“周边铂原子可将两种反应物CO和OH（来自水分子）结合在一起。化学中的X射线光电子能谱研究表明，周边的铂原子也被激活了-从非金属态变为金属态，从而捕获OH基团中的氧原子并将氧传递给CO。这表明活化周边铂所在位置引起反应发生。”最后一组实验，X射线吸收光谱研究在DOE的阿贡国家实验室的高级光子源（APS）进行，显示出催化剂的动态结构变化。Li称：“可以看到结构在反应条件下也在改变。”
研究还发现，二氧化铈载体上的铂原子与氧之间存在异常长的键，这表明两者间存在X射线扫描不到的物质。Li补充到：“我们认为纳米粒子与载体之间存在一些原子氢。X射线看不到这种轻原子。在反应条件下，原子氢会重新结合形成H2。”
通过了解动态变化如何与反应性联系起来的结构特征和细节，科学家可以理解这种特定催化剂的工作机理，并有可能以较低成本设计出具有更好活性的催化剂。这种技术也可以应用于其他催化剂研究。
