探索单原子催化剂的潜力

化学家和材料科学家对单原子催化剂(SAC)的潜力非常感兴趣，甚至兴奋，但它们的开发依赖于同步加速器上才有的非常专业的工具，例如加拿大光源(CLS)萨斯喀彻温大学(美国萨斯喀彻温省)。

“这是一个非常令人兴奋的研究领域，”达尔豪斯大学化学和生物医学工程教授、CLS长期用户张鹏博士说。

催化剂是涂有材料的纳米颗粒——通常是铂、钯和金等昂贵的金属——可以加速化学反应。张解释说，传统催化剂的一个显着缺点是，只有一小部分催化材料用于化学反应，这使得它们效率低下且浪费。

随着对清洁和可持续能源的需求不断增长，在能源系统中使用SAC可以帮助保护环境并节省资金。SAC的优点包括提高反应效率、使用更少的稀有金属以及提高燃料电池和电池等设备的性能。它们还可以帮助储存来自太阳和风等来源的可再生能源，使其更加可靠。

张说，就汽车催化转换器而言，其设计目的是将废气排放转化为毒性较小的污染物，催化剂中只有不到一半的铂原子可用于必要的化学反应。

SAC研究的目标是通过较便宜的材料基质中催化材料的各个原子来控制催化剂的表面原子结构，确保所有材料均可用于反应。“当你将催化剂设计成具有单原子结构时，你可以显着提高它们在催化应用中的活性和性能，”张说。

他承认，在单个原子水平上开展工作面临着巨大的挑战，但这正是CLS的用武之地。

“如果你考虑单原子催化剂，它们是如此之小，以至于你需要一种特殊的研究工具来揭示它们的结构”，以了解原子如何排列以及存在哪些原子。“即使使用最强大的电子显微镜，你也可能可以看到单个原子，但如果你使用同步加速器技术，你可以获得的分辨率要小100倍。”

20多年前，张博士在材料研究中开始使用同步加速器设备和技术。西安大略大学的学生。当CLS于2004年启用时，“我很高兴知道我们拥有第一个加拿大同步加速器，”他说。从那时起，就像他自己的博士学位一样。作为导师，他派学生到CLS及其合作伙伴同步加速器——先进光子源(阿贡国家实验室，靠近芝加哥)现场进行SAC实验。

张说，从基础研究的角度来看，单原子催化剂的开发仍然存在两大障碍。

“首先，我们真的想更好地理解为什么一些单原子催化剂如此优秀、如此活跃，但有时它们可​​能在几个小时后就不稳定，所以我们必须设计单原子催化剂使其在很长一段时间内保持活性(时间)。要使这些催化剂变得更强大、更有用，还有很多工作要做。”

另一个挑战是将SAC的使用扩大到商业规模。

“我们希望与化学行业的人们合作，寻找实际应用，”张说。“在实验室中，催化作用的规模非常小，但在化学工业中，催化作用的规模要大一千倍。”扩大单原子催化反应的能力为“各种化学工业应用”打开了大门。

虽然未来的潜力令人兴奋，但张说，如果没有“使用CLS和APS等世界一流的设施”，SAC的基础研究将是不可能的。