用纳米技术分析催化作用

化学工业的所有产品中有80%是用催化工艺制造的。催化在能量转换和废气处理中也是必不可少的。这些过程尽可能快速有效地运行非常重要;保护环境，同时节省时间和节约资源。

工业界一直在测试可能导致新的和更好的催化过程的新物质和安排。Villigen和苏黎世联邦理工学院Paul Scherrer研究所PSI的研究人员现已开发出一种提高此类实验精度的方法，可以加速寻找最佳解决方案。与此同时，他们的方法使他们能够解决50多年前的科学争议。他们在自然杂志中描述了他们的方法。

通过一种新工艺，瑞士科学家正在使化学工业更容易研究和优化催化过程：我们已经找到了一种方法来构建催化模型系统 - 即实验装置 - 精确到1纳米，然后跟踪个别纳米粒子的化学反应，Waiz Karim说，他是PSI的微纳米技术实验室和苏黎世联邦理工学院化学与生物工程研究所的附属机构。这使得可以选择性地优化催化过程的效率。

催化是化学中的基本过程：通过催化剂的存在触发或加速物质的反应。它在合成材料，酸和其他化学产品的制造，废气处理和储能中起着重要作用(见背景技术)。出于这个原因，该行业对优化催化过程非常感兴趣。为了做到这一点，你需要更深入地了解分子水平上发生的事情，PSI的催化和可持续化学实验室主任，苏黎世联邦理工学院多系催化学教授Jeroen van Bokhoven说。

模型实验以前所未有的精度

通过新方法可以获得更深入的理解：研究人员建立了一个模型系统，使他们能够以最微小的细节研究催化作用。实验主要在PSI进行，理论基础在苏黎世联邦理工学院制定。对于模型实验，Karim，Ekinci和van Bokhoven团队使用氧化铁，通过添加氢气并在催化剂铂的帮助下将其转化为铁。铂将分子氢(H2)分裂成元素氢(H)，其更容易与氧化铁反应。

他们的模型的主要吸引力：使用最先进的电子束光刻技术，主要用于半导体技术，研究人员能够在支架上放置微小的粒子，每个粒子只包含几个原子。氧化铁颗粒的尺寸仅为60纳米，铂颗粒甚至更小，为30纳米 - 约为人类头发直径的千分之二。研究人员将这些粒子成对地定位在网格状模型上，彼此距离相差15个 - 在第一个网格段中，铂粒子精确地位于氧化铁粒子的顶部，而在第15个区段中，粒子位于45纳米分开。在第16段中，氧化铁完全是单独的。因此，我们能够同时测试16种不同的情况，并以1纳米的精度控制粒子的大小和间距，Karim解释说。然后他们用氢气蒸汽模型，看着发生了什么。

对于分子领域的观察，该团队在早期项目中采用了一种称为单粒子光谱显微镜的方法，通过X射线分析微小颗粒。需要这样做的仪器可以在PSI的瑞士光源SLS获得，这是一个生产高质量X射线光的大型研究设施。粒子定位的精确度不仅是新的，而且相应准确地观察化学反应 - 包括在不同情况下同时观察许多粒子 - 以前是不可能的：在以前的研究中，两种不同材料的纳米粒子的放置可能是卡里姆解释说，最高可达30纳米。

依赖于距离的氢溢出

然而，事实证明，一些化学现象发生的规模更小。其中之一是所谓的氢溢出效应，PSI和ETH研究人员用他们的新模型进行了研究。

该效果决定性地促进了氢催化的效率。它于1964年被发现，但到目前为止还无法详细了解或可视化。结果，实际发生的情况仍然存在争议。

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