研究人员实时观察催化反应中促进剂的工作原理

维也纳工业大学的研究人员首次成功地实时观察了催化反应中所谓“促进剂”的工作原理。这些启动子在技术中发挥着重要作用，但到目前为止，人们对它们如何工作的了解还很有限。

催化剂对于许多化学技术至关重要，从废气净化到有价值的化学品和能源载体的生产。通常，微量的附加物质与催化剂一起使用，以使其非常有效。这些物质被称为“促进剂”。虽然它们在技术中发挥着至关重要的作用，但它们的研究却是出了名的困难。

在大多数情况下，确定助催化剂的数量对催化剂有什么影响是一个反复试验的过程。然而，维也纳工业大学的研究人员已经成功地直接观察到了镧促进剂在氢氧化中的作用。

他们利用高科技显微镜方法，将单个 La 原子的作用可视化。他们的研究表明，催化剂的两个表面区域充当起搏器，类似于管弦乐队中的指挥。启动子在它们的相互作用中起着至关重要的作用，控制起搏器。这项研究的结果现已发表在《自然通讯》杂志上。

观看现场反应

“许多化学过程都使用微小纳米粒子形式的催化剂，”维也纳工业大学材料化学研究所的 Günther Rupprechter 教授说。虽然通过产品分析可以轻松确定催化剂的性能，但通过这种方法无法获得微观见解。

现在情况已经改变了。多年来，Günther Rupprechter 和他的团队开发了复杂的方法，可以在化学反应过程中直接观察单个纳米颗粒。这使得能够看到在反应过程中这些纳米颗粒上不同位置的活性如何变化。

“我们使用的铑纳米尖端的行为类似于纳米颗粒，”Günther Rupprechter 说。“例如，当氢和氧结合形成水分子时，它们可以充当催化剂——我们正在详细研究该反应。”

在“活跃”和“不活跃”之间摇摆

近年来，维也纳工业大学团队已经证明，纳米颗粒表面的不同区域表现出不同的行为：它们在活性和非活性状态之间振荡。有时，所需的化学反应会在某些位置发生，而有时却不会。

使用专用显微镜已表明，每个纳米颗粒上并行发生各种此类振荡，并且它们都相互影响。纳米颗粒表面的某些区域(通常只有几个原子直径宽)比其他区域发挥着更重要的作用：它们充当高效的“起搏器”，甚至控制其他区域的化学振荡。

启动子现在可以干扰这种起搏器行为，而这正是维也纳工业大学开发的方法允许研究人员进行研究的内容。当铑用作催化剂时，镧可以充当催化反应的促进剂。单个镧原子被放置在铑纳米粒子的微小表面上。在存在和不存在启动子的情况下对同一颗粒进行了研究。这种方法详细揭示了单个镧原子对化学反应进程的具体影响。

镧改变一切

Maximilian Raab、Johannes Zeininger 和 Carla Weigl 进行了这些实验。“差异是巨大的，”马克西米利安·拉布说。“镧原子可以结合氧，从而改变催化反应的动力学。” 少量的镧改变了纳米粒子不同区域之间的耦合。

“镧可以选择性地停用某些起搏器，”Johannes Zeininger 解释道。“想象一下一个有两名指挥的管弦乐队，我们会听到相当复杂的音乐。发起人确保只剩下一名起搏器，使情况变得更简单、更有秩序。”

除了测量之外，该团队在 Alexander Genest 和 Yuri Suchorski 的支持下还开发了一个数学模型来模拟纳米颗粒各个区域之间的耦合。这种方法提供了一种比以前更强大的方法来描述化学催化：不仅基于输入和输出，而且在一个复杂的模型中考虑催化剂的不同区域如何在活性和非活性之间切换，并在促进剂的控制下相互影响。