布鲁克海文国家实验室、石溪大学 (SBU) 的化学家及其合作者发现了铂 催化剂可逆组装和拆卸的新细节。这一新发现可能为催化剂的稳定性和可回收性提供线索。这项研究发表在 《纳米尺度》杂志上的一篇论文中，揭示了二氧化铈载体上的单个铂原子如何在反应条件下聚集形成活性催化纳米颗粒 — — 然后，令人惊讶的是，一旦反应停止，它们就会碎裂。

碎片化听起来可能令人震惊，但科学家表示这可能是一个好处。

领导这项研究的布鲁克海文实验室化学家、SBU 教授阿纳托利·弗兰克尔 (Anatoly Frenkel) 表示：“铂纳米催化剂在二氧化铈上的这种可逆碎裂可能有助于控制催化剂的长期稳定性。”

当铂原子回到起始位置时，它们可以再次用于重新制造活性催化粒子。此外，反应后的碎裂使这些活性粒子不太可能不可逆地融合在一起，这是一种最终使许多纳米粒子催化剂失活的常见机制。

“催化剂的定义之一是它有助于分解和重新组装反应分子，形成新产品，”弗伦克尔指出。“但令人震惊的是，催化剂在反应过程中也会自我组装和分解。”

组装/拆卸

论文描述了科学家如何观察纳米颗粒形成的过程，单个铂原子在 572 华氏度(300 摄氏度)的温度下聚集在二氧化铈表面——这是他们正在研究的反应温度。

“反应结束后，我们预计这些纳米粒子一旦回到室温，就会稳定下来，无论它们被激活时达到什么大小，”Frenkel 说道。“但我们观察到的是一个相反的过程。粒子又开始分裂成单个原子。”

研究小组提出了一个假设来解释他们所看到的情况，韩国忠南大学理论同事进行的热力学计算证实了这一假设。一氧化碳是该反应的产物之一，通常被认为是催化剂的“药”，它正在积极地撕裂纳米颗粒。

“一氧化碳分子彼此靠近时，会形成非常强烈的排斥相互作用，”Frenkel 解释道。在“逆水煤气变换”反应中，二氧化碳 (CO 2 ) 和氢气 (H 2 ) 在高温下转化为一氧化碳 (CO) 和水 (H 2 O)，CO 通常以气体形式离开催化剂表面。但一旦关闭加热，CO 分子就会与催化剂的铂原子紧密结合。随着系统冷却，CO 分子的数量增加，它们彼此之间的距离会越来越近。

“这是一场完美风暴，”弗兰克尔说。

“当 CO 分子在纳米颗粒表面非常接近时，它们会相互排斥。而且，当它们排斥时，由于它们与铂原子的结合力很强，它们会将结合力最弱的铂原子从纳米颗粒的周边拉出来，并将它们拖到二氧化铈载体上，”Frenkel 说道。