斯坦福大學的研究人員推出了一種軟件工具，可以加速和增強對單原子催化劑的分析，為開發(fā)更高效的催化劑提供了深遠的影響。
催化劑在日常生活中起著至關(guān)重要的作用，從幫助面包發(fā)酵到更有效地將原材料轉(zhuǎn)化為燃料。現(xiàn)在，SLAC的研究人員開發(fā)了一種更快的方法來推進一種令人興奮的新型催化劑的發(fā)現(xiàn)，這種催化劑被稱為“單原子催化劑”。
催化劑在現(xiàn)代化學中的作用
幾十年來，催化劑悄悄地為日常生活中的無數(shù)過程提供了動力。這些必需物質(zhì)減少了將原材料轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品所需的能量，就像酵母幫助面包發(fā)酵一樣。從制造燃料到推動可持續(xù)的化學反應(yīng)，催化劑起著至關(guān)重要的作用。
其中，被稱為單原子催化劑的一類很有前途的催化劑引起了人們的注意。為了充分利用它們的潛力，研究人員需要更好的方法來研究它們 —— 特別是化學反應(yīng)發(fā)生的“活性位點”的結(jié)構(gòu)。了解這些位點是提高它們加速反應(yīng)能力的關(guān)鍵，也就是它們的活性。
單原子催化劑的研究進展
在向前邁出的重要一步中，來自美國能源部SLAC國家加速器實驗室斯坦福同步輻射光源（SSRL）的研究人員與來自加州大學戴維斯分校（UC Davis）的一個團隊合作，開發(fā)了一種新的軟件工具，與目前的方法相比，它可以在更短的時間內(nèi)提供有關(guān)單原子催化劑活性位點結(jié)構(gòu)的更多定量細節(jié)。研究結(jié)果發(fā)表在《化學方法》雜志上。
通常，催化劑使用惰性載體來穩(wěn)定納米級的金屬原子簇或金屬納米顆粒。在催化過程中，只有表面原子充當活性位點，而納米顆粒內(nèi)部的原子則不使用。為了最大限度地利用每個金屬原子，研究人員提出了一個很有前途的想法 —— 單原子催化劑，其中單個金屬原子分散在載體上。
催化劑分析技術(shù)的創(chuàng)新
在設(shè)計和開發(fā)這些催化劑時，研究人員需要了解活性位點的結(jié)構(gòu)，以便將其與活性聯(lián)系起來。為了更多地了解這種結(jié)構(gòu)，研究小組使用了在氧化鎂載體上穩(wěn)定的單鉑原子作為類似單原子催化劑的案例研究。
該研究的主要作者Rachita Rana最近從加州大學戴維斯分校獲得了博士學位，她利用了一種稱為擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)（EXAFS）光譜的技術(shù)，該技術(shù)揭示了活性部位原子周圍的平均環(huán)境，例如鄰近原子的數(shù)量和距離。
傳統(tǒng)上，使用EXAFS數(shù)據(jù)，研究人員在選擇最佳匹配之前評估數(shù)十到數(shù)百個候選結(jié)構(gòu)。相反，Rana建議通過結(jié)合理論計算（稱為密度泛函理論）和EXAFS來自動化分析過程。該軟件的第一個版本QuantEXAFS確定了一種原子的結(jié)構(gòu)，在這種情況下是鉑原子。
簡化催化中的數(shù)據(jù)分析
實際上，催化劑通常既有單原子又有納米粒子。在QuantEXAFS的基礎(chǔ)上，Rana擴展了代碼的功能，以確定這兩種形式的分數(shù)，提供關(guān)于結(jié)構(gòu)的更具體的信息。
她說：“MS-QuantEXAFS不僅可以幫助識別活性位點，還可以量化特定位點的百分比，并使整個數(shù)據(jù)分析過程自動化。”“如果你手動操作，通常需要幾天到幾個月的時間。有了MS-QuantEXAFS，你就有可能在一臺本地計算機上連夜完成這項分析。”
該團隊下一步將準備并向科學界發(fā)布MS QuantEXAFS。Rana說：“這個工具可以為催化研究人員提供很多東西。”合著者、SSRL杰出科學家Simon R. Bare對此表示贊同，并補充說，他們還計劃將其納入培訓課程，特別是針對下一代學生。
