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

从经济和环境角度来看，用更便宜、更高效的材料取代催化转化器中用于分解废气的昂贵金属是科学家的首要任务。人们需要使用催化剂进行化学反应，否则他们无法将汽车尾气中的污染气体转化为排放到环境中的清洁化合物。为了改进催化剂，研究人员需要对此类催化剂的工作原理有更深入的了解。

据外媒报道，斯坦福大学和美国能源部SLAC国家加速器实验室的一个团队已经准确地确定了钯和铂纳米颗粒中的哪对原子在分解此类废气方面最活跃。他们还回答了一个困扰催化剂研究人员的问题：为什么较大的催化剂颗粒有时比较小的更好，这与每个人最初的想法相反？答案与这些颗粒在反应过程中改变形状的方式有关，这将产生更多的活性位点。研究结果为提高催化剂在工业过程和排放控制中的性能迈出了重要一步。人们需要使用催化剂进行化学反应，否则汽车尾气中的污染气体无法转化为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粘附在陶瓷表面。当要排放的气体流过时，纳米颗粒表面的原子会吸附气体分子，促使它们与氧气反应，产生水、二氧化碳和其他危害较小的化学物质。每一个粒子在耗尽之前都能催化数十亿次反应。研究人员表示，目前的催化转化器是为高温运行而设计的，因此大多数有害排放物来自刚刚开始加热的车辆。随着越来越多的发动机被设计为在较低的温度下运行，迫切需要找到在这些温度条件下能更好地工作的新催化剂，这些催化剂也需要用于短期内无法转换为电动化的船舶和卡车。

但是，是什么导致一种催化剂比另一种更具活性呢？答案总是难以捉摸。在这项研究中，研究团队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，以了解是否可以在其表面识别出具有更高活性的特定原子结构。在理论方面，SLAC科学家Frank Abild Pedersen和研究团队在SUNCAT界面科学与催化中心创建了一种新方法，模拟化学反应中暴露于气体和蒸汽将如何影响催化纳米颗粒的形状和原子结构。Abild Pedersen表示，这在计算上很困难，之前的研究假设粒子存在于真空中并且不会改变。他的团队创造了更简单的新方法，可以在更复杂、更逼真的环境中模拟粒子。博士后研究人员Tej Choksi和Verena Streibel计算出，随着反应的进行，八面体纳米颗粒变得更加圆形，导致其平坦表面出现一系列锯齿状的小台阶。通过创建和测试不同尺寸的纳米颗粒，每个纳米颗粒都有不同比例的锯齿状边缘和平面，该团队希望准确识别对这些颗粒的催化活性影响最大的结构设置，甚至原子设置。博士生Angel Yan制造了具有精确尺寸控制的纳米颗粒，每个纳米颗粒都含有均匀分布的钯和铂原子的混合物。为了实现这一点，必须开发新的方法，通过在较小的颗粒周围“播种”来产生较大的颗粒。Yang使用SLAC斯坦福同步辐射光源的X射线来确认纳米颗粒的组成。然后，Yang进行了一项实验，使用不同尺寸的纳米颗粒催化丙烯转化为二氧化碳和水的反应。Yang说：“水在这里发挥了有趣和有益的作用。通常，水会使催化剂中或失效，但现在，与水接触会使颗粒更圆，并打开更多的活性位点。”实验结果证实，颗粒更大、更活跃，在反应中会变得更圆、锯齿状更明显，正如计算研究预测的那样。最活跃的粒子包含特定原子构型的最大比例，w……

h2个原子，每个原子被7个相邻的原子包围，形成一对用于反应。这种7-7配对使得较大的颗粒比较小的颗粒表现得更好。在未来，Yang希望找到如何使用更便宜的材料来“播种”纳米颗粒，从而降低成本，减少稀有和贵金属的使用。

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