开年2篇Science ：浙江大学首次在原子水平上观察到水分子的吸附活化和反应学术资讯

来源：iNature

催化反应对于化学转化、化工制备有着重要意义，大部分工业反应都是催化反应，就连生物体内的新陈代谢、营养和能量转换也属于酶催化反应过程。透射电子显微镜（TEM）的最新发展已使单个原子成像成为可能，但由于缺乏足够的图像对比度，已证明吸附的气体分子更具挑战性。对在分子水平发生的反应进行成像可以为了解催化反应机理提供直接信息。

2020年1月24日，浙江大学张泽，王勇，中国科学院上海应用物理研究所高嶷及丹麦技术大学Wagner共同通讯在Science 在线发表题为“Visualizing H2O molecules reacting at TiO2 active sites with transmission electron microscopy”的研究论文，该研究在环境透射电子显微镜中，首次在原子尺度观察到催化剂活性位点上水分子的吸附活化和反应。这对于揭示催化机理、进而设计更好的催化剂有着重要意义。

2020年1月10日，浙江大学王亮及肖丰收共同通讯在Science 在线发表题为“Hydrophobic zeolite modification for in situ peroxide formation in methane oxidation to methanol”的研究论文，该研究报道了一种催化剂系统，该系统产生并浓缩过氧化氢以立即与甲烷反应。疏水涂层的沸石使过氧化物保持在金和钯的活性位附近，然后进入的甲烷被选择性地氧化成甲醇。总而言之，在甲烷转化率为17.3％时，甲醇选择性达到92％，相当于甲醇生产率高达每克AuPd每小时91.6毫摩尔。这项工作代表了将甲烷直接活化应用以生产有价值的产品的重要一步（点击阅读）。

利用像差校正器和现场设备的发展，透射电子显微镜（TEM）可以进行原子级成像。对于多相催化剂的研究，这些进展以及允许气体甚至液体与样品接触的方法[称为环境TEM（ETEM）]，使得能够对吸附在催化剂表面的单个分子和原子进行成像。但是，透射电子显微镜（TEM）通常难以直接观察到在催化位点反应的气体分子。

通常，吸附和动态反应的分子不能为TEM识别提供足够的对比度。现在，研究人员表明可以通过在钛矿型TiO2（1×4）-（001）上利用高度有序的四配位Ti（Ti4c）行（由于其较低的配位而称为“活性行”）来克服这一障碍。表面[即具有（1×4）重建的TiO2（001）表面]，以促进沿行方向增强吸附分子的对比度，并允许实时监控在催化剂表面上解离和反应的H2O种类。

在该研究使用原位环境透射电子显微镜和具有（1×4）重构的纳米晶锐钛矿二氧化钛（001）表面作为催化剂，提供了高度有序的四配位钛“活性行”以实现对水分子在催化剂表面解离并反应的实时监控：实验中水分子进入体系后，解离为羟基和氢离子并与表面作用形成两个羟基和水分子的复合结构附着在这些凸起上，从投影面看过去就像是长出了两只“兔耳朵”。

总而言之，该研究在环境透射电子显微镜中，首次在原子尺度观察到催化剂活性位点上水分子的吸附活化和反应。这对于揭示催化机理、进而设计更好的催化剂有着重要意义。

参考消息：

https://science.sciencemag.org/content/367/6476/428

来源：Plant_ihuman iNature

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU3MTE3MjUyOA==&mid=2247506939&idx=6&sn=33a2276385ac7bc580c9ce4c68d9f71b&chksm=fce6a824cb912132dcbc5df8efc2e3156c85a83609d82bc76d71434c4c04e13f630a3479a6fc#rd

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