科學家首次在原子尺度上拍攝催化反應過程

美國西北大學科學家主導的國際科研團隊借助一種名為SMART-EM（單分子原子分辨率時間分辨電子顯微鏡）的技術，首次在原子尺度上拍攝了催化反應過程。這項研究有助了解催化劑是如何工作的，從而設計出更有效且可持續的化學反應過程。相關論文發表于最新出版的《化學》雜志。

研究示意圖。圖片來源：《化學》雜志

這個原子級“電影”揭示了在乙醇脫氫化學反應中，單個原子的移動和搖晃動作。通過實時觀察這一過程，研究人員發現了幾個“短命”的中間分子，并揭示了一種新的反應途徑。

催化劑被用于制造燃料、肥料、塑料、藥品等幾乎所有化工產品。為使反應過程更高效環保，科學家需要準確了解催化劑在原子水平上的工作原理。雖然傳統的電子顯微鏡可以對原子成像，但其光束太強，無法對催化中使用的脆弱有機物質成像。而且，高能電子很容易對碳基結構造成破壞，使科學家無法收集相關數據。

為克服這些困難，研究團隊利用了自研的SMART-EM技術。這是一種可以捕獲有機分子圖像的新技術，用到的電子更少，從而最大程度減少對樣品的損壞。

為檢驗SMART-EM的能力，研究團隊選擇了乙醇脫氫這一簡單的化學反應。他們為該反應專門設計了具有明確活性位點的催化劑。SMART-EM通過快速捕捉圖像序列，拍攝了催化反應的動態過程。

研究人員發現，乙醇分子氧化時形成的醛分子會粘在催化劑上。這些醛也會連接在一起形成短鏈聚合物，這一步驟是以前未知的，似乎加速了整個反應的進行。他們還發現，醛也會與乙醇反應形成中間分子——半縮醛，然后轉化為其他產物。

研究團隊還借助多種顯微鏡技術、X射線分析、理論模型和計算機模擬對上述過程進行了驗證。結果顯示，所有數據均與SMART-EM提供的數據相匹配。

研究團隊表示，SMART-EM正在改變化學研究的方式。他們希望分離出上述反應過程中出現的中間分子，并進一步探究活性有機催化反應的動力學機制。