催化剂颗粒大小与能源产量增加有关

犹他大学的化学家们首次证明了固体表面上催化剂颗粒的大小、它们的电子特性和它们加速化学反应的能力之间存在决定性的联系。这项研究是朝着设计更便宜、更高效的催化剂的目标迈出的一步，这些催化剂可以增加能源产量，减少导致地球变暖的气体，并制造从药品到汽油等各种各样的商品。

微观双金属催化剂。来源:我的绿色宝藏。

催化剂是加速化学反应而不被反应消耗的物质。它们被用来制造大多数化学品和许多工业产品。

根据美国能源部(DOE)的数据，美国90%的化学制造过程和20%以上的工业产品都使用催化剂，这些过程消耗大量能源。此外，美国能源部说，工业产生的二氧化碳占美国温室气体排放量的21%。

因此，提高催化剂的效率是“节约能源和减少二氧化碳排放的关键，”该机构说。

催化剂也用于药物制造;foodprocessing;燃料电池;肥料生产;将天然气、煤炭生物质转化为液体燃料;以及减少污染物和提高能源生产中燃烧效率的系统。

犹他大学化学教授、该研究的资深作者斯科特·安德森(Scott Anderson)说:“催化领域最大的不确定因素之一是，没有人真正了解催化剂颗粒的大小是如何使化学反应发生的。”“如果我们能够了解控制催化剂活性的因素，那么我们就可以制造出更好、更便宜的催化剂。

“大多数催化剂都是昂贵的贵金属，比如金、钯或铂，”他补充道。“例如，在金催化剂中，大多数金属都以大颗粒的形式存在，但这些大颗粒是不活跃的，只有大约10个原子的纳米颗粒是活跃的。这意味着催化剂中90%以上的金没有发挥任何作用。如果你能用合适大小的颗粒制造催化剂，你可以节省90%甚至更多的成本。”

此外，“人们对学习如何用铜、镍和锌等便宜得多的基本金属制造催化剂非常感兴趣，”安德森说。“要做到这一点，你要通过调整它们的化学性质，这意味着调整电子性质，因为电子控制化学。”

这个想法是“把一种不具有催化活性的金属，当你把它缩小到合适的大小(粒子)时，它就可以具有催化作用，”安德森说。“这是我们工作的重点——试图识别和理解多大尺寸的金属颗粒作为催化剂是活跃的，以及它们为什么作为催化剂是活跃的。”

这项新研究使用了特定尺寸的钯颗粒，这些钯颗粒沉积在二氧化钛上，用于将一氧化碳转化为二氧化碳。这项研究不仅显示了催化活性是如何随着催化剂颗粒大小的变化而变化的，而且研究人员还能够将这种大小依赖性与观察到的催化剂颗粒中的电子差异联系起来。

安德森说，这是首次证明金属表面催化剂的大小和活性与催化剂的电子特性之间存在强烈的相关性。

在安德森的实验室里，化学家们使用一种精密的仪器，瞄准激光束使钯蒸发，在氦气流携带的蒸气中产生带电的钯纳米粒子。

他们利用电磁场捕获粒子并将其送入质谱仪，质谱仪只选择安德森和他的同事想要研究的钯粒子的大小。然后将所需的颗粒沉积在单晶的氧化钛上，单晶的边长不到半英寸。

接下来，化学家们使用各种方法来表征钯催化剂颗粒的样品，特别是钯催化剂的电子特性、物理形状和化学活性。

安德森说，当催化剂金属颗粒的尺寸缩小到纳米级时，它的性质最初与更大的颗粒保持相同。但是当尺寸小于10纳米时——包含大约10,000个催化剂原子——金属中的电子运动受到限制，因此它们的固有能量就会增加。

当催化剂颗粒的原子数少于100个时，尺寸的变化也会导致催化剂原子电子结构的波动。安德森说，这些波动强烈地影响了颗粒作为催化剂的能力。

以前的实验证明，催化剂的电子和化学性质受到悬浮在气体中的催化剂颗粒大小的影响。但是这些分离的催化剂颗粒与安装在金属氧化物表面上的催化剂有很大的不同——在真正的工业催化剂中，金属催化剂是这样被支撑的。

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-编辑大卫·格林菲尔德，编辑总监
控制工程可持续工程新闻台

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