纳米岛为单原子催化剂的应用开辟了可能性

一种将铂族金属的单个原子锚定在纳米大小的岛上的新方法允许有效地使用这些昂贵的金属作为催化剂，用于各种应用。在《自然》杂志上报道，研究人员表明，铂原子可以被限制在多孔材料内的氧化铈小岛上，以催化反应而不会相互粘连，这一直是它们使用的主要绊脚石。该研究由亚利桑那州立大学刘静岳教授、加州大学戴维斯分校、布鲁斯盖茨教授和华盛顿州立大学教授领导。

“稳定贵金属以使每个原子成为催化剂是催化领域的圣杯，”WSU基因和LindaVoiland化学工程与生物工程学院的摄政教授、太平洋西北国家实验室的实验室研究员Wang说.“我们不仅使用最少的铂族金属，而且还使每个原子的反应性更强。”

加速化学反应的催化剂是制造化学品和燃料以及清除污染物(包括汽车、卡车和化石燃料发电厂的废气)的关键技术。许多催化剂含有贵金属，例如铂、铑和钯，这些金属非常昂贵。

1990年代初期，研究人员开始研究如何分离金属原子作为催化剂，但他们无法在催化转化器和其他实际应用所需的高温下稳定它们。一旦金属原子暴露在反应所需的条件下，它们就会聚集在一起。

研究小组通过将金属原子分散在纳米尺寸的氧化铈岛内解决了这个问题。许多岛位于广泛用于许多常见催化反应的商业二氧化硅载体上，但金属原子被排除在载体之外。凭借其极高的表面积，二氧化硅能够在很小的体积内锚定大量含有金属原子的岛。氧化铈像胶水一样粘在二氧化硅上，紧紧抓住单个金属原子，这样它们就不会四处寻找彼此、结块并变得无效。

研究人员发现，在氧化和还原条件下，岛状金属原子在催化反应中都是稳定的。将氧气添加到物质中的氧化用于排放控制技术，以去除有害的一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物。还原，其中氢存在并与其他分子反应，用于许多工业应用，包括生产燃料、肥料和药物。

盖茨说：“新催化剂制造的原子精度可能为设计催化剂开辟了道路，在每个岛上放置目标数量的原子时具有前所未有的灵活性。”“这使我们能够研究反应性并确定最具反应性的物种——找出哪些结构和配置最有效。”

研究人员希望进一步研究该方法用于广泛的催化应用。

“这项工作为科学界提供了工具包中的一个新工具，以了解感兴趣的特定反应的催化位点要求以及开发高活性和稳定的新催化剂，”刘说。“它为催化技术创造了巨大的机会，并使原子分散的金属催化剂离实际应用更近了步。”