利用原子分辨率图片，重要的化学反应机制终于得到解释：当铂纳米粒子在氧化铁表面作为催化剂时，表面起着至关重要的作用。

维也纳工业大学表面科学实验室-真空室

（图片来源：维也纳工业大学）

铂金是一种良好的催化剂，可用于许多不同的应用。然而铂非常昂贵，所以使用微小的铂纳米粒子放在廉价的金属氧化物材料上，将有害的一氧化碳转化为二氧化碳。利用扫描隧道显微镜，维也纳工业大学的科学家现在已经能够记录氧化铁表面的铂的催化行为图像，使他们能够在原子尺度上解释这个过程。令人惊讶的是，化学反应不发生在铂纳米颗粒本身，而是铂粒子和氧化铁表面的相互作用使反应如此高效。

捕捉并氧化分子

用于催化的微小纳米粒子通常包括很少数的铂原子。它们通过固定目标分子并使其与氧气接触来确保氧化反应的发生。这样，一氧化碳(CO)可以被转化为二氧化碳(CO₂)，氢气(H₂)被氧化成水(H₂O)。这些反应没有铂也可能发生，但是，当铂粒子存在时，它们可以在更低的温度下发生。

“我们曾经认为这些化学反应发生在铂粒子上。但我们的照片清晰地表明，氧化铁也确实参与其中，”Gareth Parkinson教授说。多年来，他与Ulrike Diebold教授(都来自维也纳工业大学)一直在共同研究在金属氧化物表面的微小粒子的行为。现在，团队可以证明化学反应所需的氧气并非来自周围的气氛，而是来自下面的氧化铁。

纳米空位和运动的铁

铂粒子下面的四氧化三铁(Fe3O4)具有显著的特性。它具有规则的晶体结构，并且每个原子都有其确定的位置，但铁原子仍可相对自由地穿过材料。当铂纳米粒子从周围的气体中捕捉分子，并把这些分子与氧化铁表面的氧原子结合，过剩的铁原子仍然存在。然后这些铁原子迁移到材料深处，在表面留下一个空位，通过扫描隧道显微镜拍摄的照片很容易看到。

这个过程甚至可以引发连锁反应。一旦铂纳米颗粒的化学反应在氧化铁表面上产生一个空位，有些原子在空位的边缘，与其余材料的键合并不是很强烈。在这些边缘，下一步化学反应更容易发生。铂纳米颗粒略有改变，为下一步做好了准备。“最后，我们可以在表面上看到长沟，留下单独的铂纳米颗粒，”Ulrike Diebold说。

当铂和氧化铁暴露在氧气气氛时，相反的现象发生了。铂粒子分解氧分子(O₂)，单独的氧原子可以被附着到表面。铁原子运动到材料表面挨着铂纳米颗粒，生成了额外的氧化铁岛而不是空位，许多小岛在表面上生成。

为了更好的催化剂

多年来，维也纳工业大学的团队一直在努力为这项研究奠定必要的基础。在许多重要的步骤中，表面科学团队完善了金属氧化物和微小粒子的处理方法。近年来，他们提出了许多重要的新发现，关于金属氧化物结构，关于原子在表面的流动及其它们的化学性质。基于这些经验，现在可以看得见铂的催化化学过程，并详细地解释。

现在，这个新知识可被用来制造更好的催化剂。例如，团队可以证明氢气预处理应该会提高铂催化剂的效率。原子长沟的出现可以使阻止铂纳米粒子聚集，粒子聚集会降低它们的反应。

       新材料在线编译整理——翻译：Grubby     校正：摩天轮