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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:yb5点ac只为非凡

yb5点ac只为非凡 科技 2021年08月17日
本文摘要:利用世界上最明显的光源之一来研究一些比世界大的粒子,科学家们证实了一个长期的假设,即纳米粒子边缘原子的无序或“缺失”是它们成为有效化学转化剂的原因。生产许多日用品,如塑料、燃料和肥料的关键是通过使用转化器或催化剂来加速化学反应过程。这个过程叫做催化剂,是化学工业的一个基本支柱。 它使化学反应更高效,所需能量更少,增加甚至避免了有害物质的使用和分解。虽然催化剂已经在工业上使用了一个多世纪,但科学家们没有仔细观察它们的结构如何影响它们作为转化剂的效率。

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利用世界上最明显的光源之一来研究一些比世界大的粒子,科学家们证实了一个长期的假设,即纳米粒子边缘原子的无序或“缺失”是它们成为有效化学转化剂的原因。生产许多日用品,如塑料、燃料和肥料的关键是通过使用转化器或催化剂来加速化学反应过程。这个过程叫做催化剂,是化学工业的一个基本支柱。

它使化学反应更高效,所需能量更少,增加甚至避免了有害物质的使用和分解。虽然催化剂已经在工业上使用了一个多世纪,但科学家们没有仔细观察它们的结构如何影响它们作为转化剂的效率。这是因为催化剂通常是由铂、钯和铼等贵金属制成的微小金属纳米粒子。

使纳米粒子成为高效催化剂的更大尺寸也使得我们很难仔细观察它们是如何工作的。如果科学家能够在纳米尺度上窥视单个纳米粒子的化学反应,他们就不会获得大量简单的科学知识来改进催化剂的设计,以解决21世纪严峻的能源需求。此图为位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(红色表示)和原子力显微镜(图中上方)研究长度约为100纳米的铂涂层颗粒(黄色部分)的局部表面化学性质。

这些科学知识现在可能就在我们面前,感谢1月11日《大自然》杂志上发表的最新研究。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埃拉德克罗斯博士以及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迪安托斯特教授领导的研究人员必须首次仔细观察在许多工业过程中用作催化剂的金属纳米粒子是如何转录催化剂过程的。通过使用它作为光源,亮度高达太阳的一百万倍,研究人员需要仔细观察它在铂颗粒上的化学反应活性,类似于工业上使用的催化剂。

他们发现,化学反应主要发生在粒子的外围或边缘,而其反应性在中心较低。仔细观察铂颗粒中心和边缘之间的不同反应性对应于铂原子在这两个取向上的不同性质。在粒子的中心,原子大多是平的,而在边缘,它们是圆的,折叠的,变得更加无序。

这种无序或“缺失”的结构意味着边缘的铂原子几乎不被其他铂原子包围,从而与反应物分子形成更强的相互作用。更强的相互作用可以转录反应物分子,并引发化学反应,将反应物分子转化为所需的产物。这项研究的结果验证了催化剂界众所周知的假设,即——涉及低催化活性和低原子缺失密度。

也首次证明了在单粒子水平上可以识别缺失取向的增强活性。“我们的发现获得了催化剂的原子结构控制其反应性的观点。这一领域的科学知识可以指导改进催化剂的设计,并通过增加化学反应所需的能量和避免不必要和潜在危险的产品,使工业化学过程更加环保。

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”耶路撒冷希伯来大学化学研究所和纳米科学中心的埃拉德克罗斯博士说。为了研究单个纳米粒子,研究人员将实时加速器光源(高级设备光源,劳伦斯伯克利国家实验室)产生的微弱红外光束探测到尖端直径仅为20纳米的细探针中。

探针就像一根天线,它将红外线定位在特定的范围内,从而获得识别等待在催化剂纳米粒子表面的分子的能力。当纳米粒子被红外电磁辐射辐射时,研究人员需要用纳米探针扫描它们,以确定化学反应在粒子表面重新发生的位置和条件。

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


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