科学家们创造了一种新型催化剂，它将带来新的、可持续的制造和使用分子的方法，并保护贵金属的供应。
诺丁汉大学的一个研究小组设计了一种新型催化剂，该催化剂结合了以前被认为是相互排斥的特征，并开发了一种大规模制造金属纳米团簇的工艺。
在他们今天发表在Nature Communications 上的新研究中，他们证明钯纳米团簇的行为不符合将催化剂定义为均质或异质的正统特征。
传统上，催化剂分为均相（催化中心与反应物分子紧密混合）和非均相（反应发生在催化剂表面）。通常，化学家在选择一种或另一种类型时必须做出妥协，因为均相催化剂更具选择性和活性，而多相催化剂更耐用和可重复使用。然而，钯原子的纳米团簇似乎违背了传统类别，正如通过研究它们在苯乙烯环丙烷化反应中的催化行为所证明的那样。
催化剂支持近 80% 的工业化学过程，这些过程提供我们经济中最重要的成分，从材料（如聚合物）和药物到包括肥料和作物保护在内的农用化学品。对催化剂的高需求意味着许多有用金属（包括金、铂和钯）的全球供应正在迅速枯竭。挑战在于将每个原子都发挥到最大潜力。利用纳米团簇形式的金属是增加可用于催化的活性表面积的最有效策略之一。此外，当纳米团簇的尺寸突破纳米尺度时，金属的性质会发生巨大变化，导致在宏观尺度上无法实现的新现象。
研究小组使用分析和成像技术来探测纳米团簇的结构、动力学和化学性质，以在原子水平上揭示这种不寻常催化剂的内部工作原理。
该团队的发现是释放化学催化全部潜力的关键，导致以最原子效率和能量弹性的方式制造和使用分子的新方法。
这项研究由化学学院的推进未来信标诺丁汉研究员 Jesum Alves Fernandes 博士领导，他说：“我们使用最直接的方法来制造纳米团簇，只需通过一束快速光束将原子从大块金属中踢出氩离子——一种称为磁控溅射的方法。通常，这种方法用于制作涂层或薄膜，但我们对其进行了调整，以生产几乎可以沉积在任何表面上的金属纳米团簇。重要的是，纳米团簇的大小可以通过以下方式精确控制实验参数，从单个原子到几纳米，因此可以在几秒钟内按需生成一系列均匀的纳米团簇。”
该团队的 Green Chemicals Beacon 博士后研究员 Andreas Weilhard 博士补充说：“通过这种方法生产的金属簇表面是完全‘裸露的’，因此具有很高的活性，可以进行化学反应，从而产生高催化活性。”
MASI 首席研究员 Andrei Khlobystov 教授说：“我们的项目将彻底改变金属在广泛技术中的使用方式，并打破我们对极度濒危元素的依赖。具体而言，MASI 将在以下方面取得进展：减少二氧化碳 (CO2 ) 排放及其转化为有用化学品的价值；生产“绿色”氨 (NH3) 作为替代零排放燃料和新的储氢载体；以及提供更可持续的燃料电池和电解技术。”
金属纳米簇被激活以与分子反应，这可以由热、光或电势驱动，而与载体材料的可调节相互作用提供了催化剂的耐用性和可重复使用性。特别是，MASI 催化剂将用于活化难以裂解的分子（例如 N2 、H2和 CO2 ），这些反应构成化学工业的支柱，例如 Haber-Bosch 过程。