新的催化突破可以节省大量能源！
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催化剂种类繁多，如金属、酶、固体酸、光催化剂等，能在不改变自身的情况下提高反应速率、选择性和效率。它们广泛应用于石油产品加工、制药、塑料、食品添加剂、肥料、环保燃料及各种工业化学品制造等领域，并可多次循环利用。催化剂在化学、能源、材料等领域内有广泛应用，在石油化工生产中可提高生产效率和产品质量，在环保领域可净化污染物以降低排放量，在新能源领域也有应用。然而，使用和处理催化剂可能产生环境污染和危险废物，需采取合适的管理和处理措施，因为部分催化剂具有毒性和危险性，需要采取适当的安全措施保护人员和环境。尽管科学家和工程师已经花费数十年来调整催化反应，但由于在工业规模的催化反应中难以观察纳米和原子尺度上的反应，对于这些反应的认识还很有限。
鉴于此，近期，由威斯康星大学麦迪逊分校的化学工程师Mavrikakis和博士后研究员Lang Xu和Konstantinos G. Papanikolaou以及研究生Lisa Je在 《Science》 上发表了题为 “ Formation of active sites on transition metals through reaction-driven migration of surface atoms” 的研究成果。
概述
该研究所创建的模型，详细阐述了催化反应在原子层面上的发生过程。这种新的洞察力为工程师和化学家设计更为优秀的催化剂提供了可能，并且进一步优化了工业流程。由于催化反应涉及到我们日常使用产品90％的生产流程，这种新的理解有望实现巨大的能源节约。
图文导读
该研究涉及纳米颗粒形式的过渡金属催化剂反应，其中包括了白金、钯、铑、铜和镍等在工业和绿色能源中非常重要的元素。研究人员采用当前催化作用的刚体表面模型，发现过渡金属催化剂的紧密堆积原子提供了一个二维表面，化学反应物附着在其上并参与反应。通过施加足够的压力、温度和电能，化学反应物中的原子之间的化学键会断裂，使得碎片可以重新组合成新的化学产物。
为了深入探究八种过渡金属催化剂和18种反应物之间的工业重要相互作用，研究团队使用一组特殊计算来确定形成小金属团簇的能量水平和温度以及每个团簇中的原子数。这些因素极大地影响反应速率。实验合作者在加州大学伯克利分校使用原子分辨扫描隧道显微镜观察了一种稳定的晶体形态镍（111）上的一氧化碳吸附，这种镍在催化中非常有用。
通过实验结果，研究团队确认了模型的结论，即催化剂结构中的各种缺陷会影响单个金属原子从催化剂表面脱离并形成反应位点的方式。这些发现将有助于改进过渡金属催化剂的设计和合成，促进工业和绿色能源等领域的创新发展。
小结
这项研究的重要成果是建立了一个能够在原子尺度上模拟催化反应的模型，揭示了催化反应中发生的具体过程和机制。这种新的理解可能帮助工程师和化学家设计更好的催化剂，优化工业程序，从而实现能源节约。考虑到催化反应涉及到我们日常使用的产品的90％的生产过程中，这项研究对于工业界具有巨大的影响潜力。例如，如果这些反应需要运行的温度降低几度，就可以显著减少人类所面临的能源需求。此外，该研究还挑战了研究人员长期以来对于催化作用的基本假设，并可适用于其他非金属催化剂并提高我们理解其他重要现象的能力。
参考文献：
Lang Xu, Konstantinos G. Papanikolaou, Barbara A. J. Lechner, Lisa Je, Gabor A. Somorjai, Miquel Salmeron Manos Mavrikakis，
2023, Science. DOI: 10.1126/science.add0089
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