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对纳米尺度催化剂的首次观察展示了“缺陷”的作用

时期:2021-08-03 21:53 点击数:
本文摘要:利用世界上视星等的光源之一来研究一些世界大于的颗粒,科学家证实了一个长年的假设:纳米粒子边缘处的原子的无序或“缺失”是使它们沦为有效地的化学转变剂的原因。转变剂或催化剂加快化学反应的过程,是生产许多日常生活必需品的关键,如塑料、燃料和肥料。 这个过程被称作催化剂,它是化学工业的一个基本支柱,其使化学反应更加高效和必须较少的能源,增加甚至避免有害物质的用于和分解。虽然催化剂早已在工业中用于了一个多世纪,科学家们还没仔细观察到它们的结构是如何影响其作为转变剂的效率的。

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利用世界上视星等的光源之一来研究一些世界大于的颗粒,科学家证实了一个长年的假设:纳米粒子边缘处的原子的无序或“缺失”是使它们沦为有效地的化学转变剂的原因。转变剂或催化剂加快化学反应的过程,是生产许多日常生活必需品的关键,如塑料、燃料和肥料。

这个过程被称作催化剂,它是化学工业的一个基本支柱,其使化学反应更加高效和必须较少的能源,增加甚至避免有害物质的用于和分解。虽然催化剂早已在工业中用于了一个多世纪,科学家们还没仔细观察到它们的结构是如何影响其作为转变剂的效率的。这是因为催化剂一般来说是由贵金属如铂、钯和铼来做成的微小的金属纳米颗粒。使纳米粒子沦为高效催化剂的大于的尺寸也使得我们很难仔细观察到它们是如何工作的。

如果科学家能在纳米级的水平上偷窥单个纳米粒子的化学反应,他们将不会取得很多简单的科学知识来改良催化剂的设计,以解决问题二十一世纪的严峻的能源需求。这张图表明了坐落于伯克利实验室先进设备光源设备上的一个实验装置,该装置用于红外光(红色表明)和原子力显微镜(图的中部和顶部)来研究长度大约为100纳米的涂层铂微粒(黄色部分)的局域表面化学性质。这些科学知识现在有可能就在眼前了,这要得益于1月11日公开发表在《大自然》杂志上的近期研究。

在这项新的研究中,由耶路撒冷希伯来大学化学研究所和纳米科学中心的EladGross博士和加州大学伯克利分校化学学院和劳伦斯伯克利国家实验室的F.DeanToste教授领导的研究人员,第一次必要仔细观察到了在许多工业过程中作为催化剂用于的金属纳米颗粒是如何转录催化剂过程的。通过用于一个比太阳亮度高达一百万倍的光源,研究人员需要在与工业中所用于的催化剂类似于的铂颗粒上仔细观察其化学反应活性。

他们找到,化学反应活性主要再次发生在粒子的外围或边缘,而在中心其反应活性较低。铂颗粒的中心和边缘仔细观察到的有所不同的反应活性对应于在这两个方位的铂原子的有所不同性质。在颗粒中心,原子大多是平缓的,而在边缘,它们呈圆形褶皱状,变得更加杂乱无序。

这种无序或“缺失”的结构意味著边缘的铂原子不是几乎被其它铂原子所围困着,因此与反应物分子构成了更加强劲的相互作用。更加强劲的相互作用可以转录反应物分子,并启动化学反应,将反应物分子转化成为所需的产物。该研究结果检验了一个在催化剂的世界里众所周知的假设——低催化反应活性与低原子缺失密度涉及。

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其也第一次证明了可以在单个颗粒的水平上辨识出有缺失方位的强化活性。“我们的找到获取了有关催化剂的原子结构掌控其反应活性的方法的看法。这方面的科学知识可以指导改良催化剂的设计,通过增加化学反应所需的能量,和避免不必要的和具备潜在危险性的产品的构成,使得工业化学过程更为环保。”来自耶路撒冷希伯来大学化学研究所和纳米科学中心的EladGross博士说道。

为了研究单个纳米粒子,研究人员将一束由一个实时加速器光源(先进设备光源,劳伦斯伯克利国家实验室)产生的暗淡的红外光束探讨到一个针尖直径只有20纳米的细探针里面。该探针就像一根天线,将红外线定位在特定的范围内,通过这样,获取了辨识待命在催化剂纳米颗粒表面上的分子的能力。通过在纳米颗粒被红外光电磁辐射时用纳米探针扫瞄这些颗粒,研究人员需要辨别出有化学反应在颗粒表面再次发生的方位和条件。

耶路撒冷希伯来大学是以色列领先的学术和研究机构,生产量了以色列三分之一的民用研究成果。


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