今日，美国塔夫茨大学（Tufts University）研究人员在《自然·通讯》（NatureCommunication）期刊上发表论文，报道了一种利用非常低浓度的铂来进行重要化学反应的新一代铂-铜催化剂。

铂在从燃料电池到化学生产的诸多领域中作为催化剂，因为其具有非常卓越的性质可以促进很广泛的化学反应。然而，其未来潜在的用途严重受限于其稀缺性和成本，同时，铂很容易与一氧化碳结合使反应“中毒”。这就发生在聚合物电解质膜（PEM）燃料电池当中。这种燃料电池相当于小型的移动发电站，而不是基于电池或内燃机。

塔夫茨大学研究人员发现，铜表面分散、孤立的铂原子（这比铂要便宜得多），可以作为1,3-丁二烯选择性加氢反应的高效、高性价比催化剂。通过轻油的蒸汽裂化或汽油的催化裂化，丁二烯是必须要通过加氢反应移除的一种杂质，从而促进下游聚合物的生产。目前采用铂和银作为丁二烯加氢的工业催化剂。

铜是一种相对廉价的金属，无法像铂那样作为高效催化剂，该论文通讯作者之一、化学教授Charles Sykes指出，“我们希望找到一种方法来提高它的性能。”

研究人员首先进行了表面科学实验，精确研究铂和铜如何混合。“我们兴奋的发现了铂溶在铜当中，就像糖溶于热咖啡当中一样，甚至是单一原子。我们称这样的金属为单原子合金。”

塔夫茨大学化学家使用专门的低温扫描隧道显微镜观察单个铂原子，研究铂原子与氢的反应。“我们发现即使温度低至300oF，这些铂原子仍可以将氢分子分裂成原子，这意味着铂原子可在化学反应当中起到良好活化氢的作用。” Sykes如是说。

有了这方面的知识，Sykes等人找到塔夫茨大学的长期合作者Maria Flytzani-Stephanopoulos教授（工程学院能源可持续性方向），来确定化工当中重要的氢基反应。她选择了丁二烯加氢反应。

在实验室真空环境下展示了该催化剂能够促进丁二烯加氢反应之后，Flytzani-Stephanopoulos团队进行了下一阶段的研究。他们合成了少量的实际催化剂，比如在铝基板上的铂-铜单原子合金纳米颗粒，接着在工业压力和温度下对其进行测试。

“我们很高兴看到，这些催化剂的效果非常好，且性能能够稳定好几天。虽然之前我们在封闭的反应系统中对铂做了相关的反应，但这项研究首次在工业条件下的流动反应器当中采用了这种铂。我们相信，这种方法也适用于其它贵金属添加到铜当中。”Flytzani-Stephanopoulos如是说。

研究人员还发现，采用的铂越多，实际效果反而越不好，这是因为相比于孤立的原子而言，铂原子簇的选择性更低。“这种情况下，少就是多，这是非常好的一个事情。”Flytzani-Stephanopoulos如是说。

由于铂位于许多清洁能源和绿色化学生产技术的核心，新型的廉价的铂-铜催化剂能够促进更广泛的环境友好型设备和工艺的选择。此外，通常用于生产这种铂-铜催化剂的方法也可用于其他催化剂。

Flytzani-Stephanopoulos说：“传统催化剂开发都是通过材料的反复试错和筛选。这项研究当中，我们采用了一种基本方法来了解单原子合金表面的原子尺度结构和性质，接着利用这些知识来发展有效的催化剂。有了这方面的知识，我们现在准备比较不同物质（氧化物或碳）表面的单原子催化剂的稳定性。这可能为工业催化剂的设计非常有用。” 

新材料在线编译整理——翻译：菠菜     校正：摩天轮