光——让催化反应更“听话” 学术资讯

电子束射向样品，让研究人员得以观测钯-金催化剂对氢气的催化作用。

催化剂能够“毫发无损”地加速化学反应进程。然而，催化剂只有部分参与了反应，如果我们能“说服”其中未参与催化作用的部分加入反应，化学反应将进行得更快、更有效。

《科学》杂志近日发文称，美国斯坦福大学材料科学与工程副教授Jennifer Dionne领导的团队利用光和先进的制造、表征技术，赋予了催化剂新能力。在一个概念验证实验中，研究人员将钯纳米棒置于金纳米棒之上，并用金纳米棒聚焦、“雕刻”催化剂周围的光。

这种“雕刻光”改变了纳米棒上发生化学反应的区域。该成果有望推动高效催化剂、新催化转化形式以及多功能催化剂的研究。

“这项研究是实现催化剂从原子规模向反应堆规模跨越的重要一步。”Dionne说，“我们希望了解，如何利用合适的形态和组成使催化剂反应面积最大化，并控制催化反应发生的区域。”

为观察这种反应，研究人员需要配备特殊的显微镜——它不仅需要在极小尺度上对活性化学过程进行成像，还必须与引入样品的气体和光兼容。为了达成目标，研究人员使用斯坦福纳米共享设备的环境透射电子显微镜以及Dionne实验室之前开发的特殊附件，引入了光。顾名思义，透射电子显微镜利用电子为样品成像。它的放大倍数比传统光学显微镜高，而且其环境特征意味着研究人员可以在无空气环境中添加气体。

论文作者Katherine Sytwu说：“这好像是一个迷你实验室。在此，研究人员能够完成近原子水平的可视化观测。”

在特定条件下，富氢的钯会释放氢原子。为了探索光对催化转换的影响，研究人员以纳米金棒作为天线，收集入射光并将其导入附近的催化剂。Sytwu说：“首先，我们需要了解这些材料的自然转化过程。接着，我们开始思考如何修饰、控制这些纳米颗粒。”

在无光条件下，纳米棒的两个尖端是脱氢反应最活跃的位点。随后，反应在穿越纳米棒的过程中产生氢气。借助光，研究人员操纵了脱氢反应，使其从中间向外移动，或从一个尖端向另一个尖端移动。基于金纳米棒的位置和光照条件，研究人员设计了多个可替代位点。

新研究是表明“催化剂制成后，性能仍旧可以调整”的罕见实例。它为提高单催化剂效率提供了新思路：利用光在催化剂表面促成多个相同反应或者增加反应位点，单一催化剂也可以发挥多种作用。光控制还可以帮助研究人员避免不必要的无关反应。

Dionne希望未来他们可以开发出一种高效催化剂，不仅能在分子水平上分解塑料，还能将其转化为可回收利用的原始材料。

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编译：德克斯特

审稿：西莫

责编：陈之涵

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

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