锚定单个原子进行催化

有一句格言“永远不要改变正在运行的系统”。然而，新方法可能远远优于旧方法。虽然迄今为止化学反应主要由包含数百个原子的催化材料加速，但使用单个原子可以提供一种新的催化方法。

由奥地利维也纳工业大学领导的一个国际研究小组现已开发出一种新方法，可将单个原子以可控且稳定的方式固定在表面上。这是迈向单原子催化的重要一步。与 Bernhard C. Bayer 合作的研究人员在科学杂志ACS Nano 上介绍了这种新方法。

单原子取代纳米粒子

现代催化剂由纳米颗粒组成，因此非常小。然而，考虑到它们在原子尺度上的大小，它们仍然由数百个原子组成，远远大于单原子催化剂。如果可以加速单个原子的化学反应，这将为催化开辟新的机会。与传统工艺相比，单原子催化可以更具可持续性和能源效率，并且还可以更具选择性并实现更高的转化率。

在新开发的方法中，硅原子充当单个金属原子的“锚”。硅原子本身经常作为杂质出现在碳载体材料中。现在铟原子与这些硅原子结合，可以作为单原子催化剂。“铟原子选择性地与碳晶格中的硅锚结合，”维也纳工业大学材料化学研究所的 Bernhard C. Bayer 说。“因此，单个铟原子保持稳定并固定在它们的位置上，不会聚集在一起，”领导这项研究的拜耳继续说。新技术特别令人兴奋的是，如果反应条件合适，铟原子以自组装方式锚定。这使得该过程具有潜在的可扩展性，”来自维也纳大学和都柏林三一学院的 Kenan Elibol 补充道，该研究的第一作者。

然而，这个过程也伴随着研究团队成功应对的挑战。特别是单个原子在固体载体表面上的沉积是困难的。这是因为单个原子通常会迅速离开它们的位置并聚集在一起形成更大的粒子。这种较大颗粒的形成否定了单原子催化的优势。

后续测试

使用维也纳大学的高分辨率电子显微镜，研究小组可以观察铟单原子的硅锚定机制。“我们能够证明，铟原子的锚定取决于硅锚如何结合到碳晶格中，”维也纳大学的 Toma Susi 说，他通过现代计算方法进一步阐明了锚结构。“这种在固体表面上受控且室温稳定的单个原子锚定还没有报道，这为能源和环境领域的催化应用开辟了令人兴奋的前景，”来自维也纳工业大学的多米尼克埃德尔补充说，他是催化专家.

将进行进一步的实验，以便维也纳研究人员开发的方法也可以在工业上使用：“现在将用新方法放置的单个原子作为各种化学反应的催化剂进行详细测试，”Bernhard C. Bayer 说。

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