納米科學：實驗證實，外圍結構缺陷是催化劑功能的關鍵！
這樣的實驗應該有助於研究人員定製催化劑的結構特性，使其更有效地促進化學反應。
這項研究發表在1月11日的「自然」雜誌上，是記錄納米粒子的原子結構如何影響它們作為化學反應催化劑的功能的重要一步。在許多工業產品（例如肥料，燃料和塑料）的生產中起作用的催化劑是能夠加速化學反應並使其更有效同時在該過程中保持不變的材料。
科學家們已經知道，材料在納米尺度上的表現可能與大量材料的表現不同，定製尺寸和形狀可以增強其特定用途的特性。這項新技術確定了單個金屬顆粒上的區域 - 大約100納米 - 在化學反應中最活躍。
研究人員將伯克利實驗室先進光源（ALS）生產的廣譜紅外光與原子力顯微鏡相結合，揭示了單個鉑金和金納米粒子邊緣與其光滑平坦表面相比的不同化學反應水平。
他們使用ALS的獨特功能，稱為SINS（用於基於同步輻射的紅外納米光譜），探索顆粒表面發生的詳細化學反應，並將解析度降至25納米。
「這讓你可以看到化學中所有這種相互作用，」負責ALS紅外光束線的高級科學家麥可·馬丁說。「這才是特別的。」
伯克利實驗室的研究科學家Hans Bechtel在ALS紅外光束線上工作，他補充說：「你可以同時看到反應物和反應中形成的產物。」
在實驗中，研究人員在金屬顆粒上塗上一層活性分子，並將ALS產生的紅外光聚焦到原子力顯微鏡的微小尖端（直徑25納米）上。
當顯微鏡的尖端與高度聚焦的紅外光結合時，它像一個極其敏感的天線一樣工作，以映射單個納米粒子的表面結構，同時也揭示了它們詳細的表面化學。
「我們能夠在粒子表面看到分子的確切指紋，並驗證催化領域眾所周知的假設，」化學研究所和納米科學與納米技術中心的教員Elad Gross說。在耶路撒冷希伯來大學，他與伯克利實驗室化學科學系的教師科學家和加州大學伯克利分校化學系教授F. Dean Toste一起領導了這項研究。
了解觸發化學反應所需的精確能量水平（活化能）是優化反應的關鍵，並且可以通過節約能源來降低工業規模的成本。
「這項技術不僅可以告訴你反應發生的地點和時間，還可以確定不同地點反應的活化能，」Gross說。「你在這裡有一個工具可以解決催化研究中的基本問題。我們發現在原子水平上高度缺陷的區域比光滑表面更活躍。
Gross指出，這個特性與粒子的小尺寸有關。「隨著顆粒尺寸減小，結構不均勻，你會有更多的缺陷，」他說。
較小的顆粒每個顆粒的表面積大於較大的顆粒，這意味著更多的原子將位於邊緣。粒子邊緣的原子比沿著光滑表面的原子具有更少的鄰域，並且鄰域越少意味著與其他元素參與化學的自由越多。
由於所研究的化學反應發生得非常迅速 - 不到一秒鐘 - 並且ALS技術可能需要大約20分鐘來掃描顆粒上的單個點，研究人員使用了一層化學活性分子，這些分子附著在表面上。顆粒，作為催化反應性的標誌物。
該研究中的催化反應類似於汽油動力汽車的催化轉化器中發生的反應。催化轉化器使用鉑顆粒和其他材料將汽車尾氣轉化為毒性較小的排放物。
使用SINS技術計劃的未來實驗將集中於記錄使用受控氣流或液體流動以引發反應的活性化學過程，研究人員表示，未來的實驗可能會使用不同的壓力和溫度來測量效果。
「我認為這將是一個非常有趣的工具，可用於進一步的實驗和分析，可以回答許多以前無法回答的問題，」格羅斯說。「這種工具使我們能夠比其他技術提高三個數量級的解析度，這為催化和表面化學研究開闢了一個非常廣闊的領域。研究人員表示，未來的研究還可以在ALS中結合基於紅外和X射線的方法來收集更豐富的化學信息。目前已有計劃在ALS新建紅外光束線，這將增加紅外化學研究的能力和能力，並在ALS開展基於紅外的三維結構研究。