塔夫茨大学的研究人员在自然通讯杂志上报道，新一代铂铜催化剂需要非常低浓度的单个原子形式的铂才能干净而廉价地进行重要的化学反应。
铂用作燃料电池，汽车转换器和化学工业中的催化剂，因为它具有促进广泛化学反应的显着能力。然而，其未来的潜在用途受到稀缺性和成本的显着限制，以及铂容易与一氧化碳结合的事实，这会使所需的反应“中毒”，例如在聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中，小型和移动发电的主要竞争者，不是基于电池或内燃机。
塔夫茨大学的研究人员发现，将单独的，孤立的铂原子分散在成本较低的铜表面上，可以为1,3-丁二烯的选择性加氢创造一种高效且具有成本效益的催化剂，丁二烯是石脑油蒸汽裂解或催化裂化产生的化学物质。瓦斯油。丁二烯是丙烯流中的杂质，必须通过氢化从流中除去，以促进下游聚合物的生产。目前用于丁二烯加氢的工业催化剂使用钯和银。
像咖啡中的糖
铜是一种相对便宜的金属，虽然不像铂那样具有催化作用，但该论文的资深作者之一，化学教授查尔斯赛克斯博士说。“我们希望找到一种方法来改善其性能。”
研究人员首先进行了表面科学实验，以精确研究铂金和铜金属的混合方式。“我们很高兴地发现铂金属溶解在铜中，就像热咖啡中的糖一样，一直到单个原子。我们称这种材料为单原子合金，”赛克斯说。
Tufts化学家使用专门的低温扫描隧道显微镜观察单个铂原子及其与氢的相互作用。“我们发现即使在低至零下300华氏度的温度下，这些铂原子也能够将氢分子分解成原子，这表明铂原子非常适合激活氢气进行化学反应，”赛克斯说。
凭借这些知识，赛克斯及其他的化学家们转向了塔夫茨大学的长期合作者，工程学院的罗伯特和马西哈伯能源可持续发展教授Maria Flytzani-Stephanopoulos博士，以确定哪种加氢反应最为可能。对工业应用很重要。她说，答案是丁二烯。
模型催化剂在实验室的真空条件下有效地进行了该反应，因此Flytzani-Stephanopoulos的团队将研究提升到了一个新的水平。他们合成了少量的现实催化剂，如负载在氧化铝基体上的铂 - 铜单原子合金纳米粒子，然后在工业压力和温度下进行测试。
“令我们高兴的是，这些催化剂效果非常好，而且它们的性能稳定了很多天，”Flytzani-Stephanopoulos说。“虽然我们之前已经证明钯会在封闭的反应堆系统中进行相关反应，但这项铂金工作是我们在工业相关条件下在流动反应器中首次运行的示范。我们认为这种方法也适用于其他贵金属作为铜中的少数成分。“
此外，研究人员发现，当他们使用更多铂时，反应实际上变得不那么有效，因为与单个原子相比，铂原子簇的选择性较差。“在这种情况下，少即是多，”Flytzani-Stephanopoulos说，“这是一件非常好的事情。”
环境效益
由于铂是许多清洁能源和绿色化学品生产技术的核心，例如燃料电池，催化转化器和来自生物可再生原料的增值化学品，新的，较便宜的铂铜催化剂可以促进更广泛的采用她补充道，环保设备和工艺。
这项工作是Sykes和Flytzani-Stephanopoulos之间长期跨学科合作的最新成果。
“玛丽亚和我在七年多前相识，并经常谈论如何将我们相当不同的研究领域结合起来，在艺术与科学和工程学院之间进行有效的合作，”赛克斯说。“我拥有最先进的显微镜，可以看到和操纵原子和分子，我想利用其独特的能力深入了解工业上重要的化学反应。在21世纪初，玛丽亚的团队开创了单一的 - 固定在氧化物载体上的金属的原子方法作为水煤气变换反应的唯一活性位点，用于升级氢气流以供燃料电池使用。催化剂设计技术已经存在于她的实验室中。回想起来，结合力量似乎很明显是一个'自然'的发展。我们一起开始涉及单原子合金作为选择性加氢反应催化剂的新方向。我们的显微镜非常适合表征表面的原子组成。我们从国家科学基金会，美国能源部和塔夫茨合作计划获得资金，以开展这一新的研究领域。“
赛克斯和Flytzani-Stephanopoulos使用这种方法设计了各种单原子合金催化剂，这些催化剂在过去两年中引起了国际关注。
“传统的催化剂开发通过反复试验和筛选许多材料来实现，”Flytzani-Stephanopoulos说。“在这项研究中，我们采用了一种基本的方法来理解单原子合金表面的原子尺度结构和性质，然后利用这些知识开发出一种工作催化剂。有了这些知识，我们现在可以比较这些单原子的稳定性了。合金催化剂用于支持各种氧化物或碳表面的单原子催化剂。这可能为工业催化剂设计提供非常有用的标准。
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