定制光控制化学催化剂

斯坦福大学的材料科学家开发出一种利用光和先进的制造和表征技术控制催化剂的方法。这项工作是及时朝着更高效的催化剂、新型催化转化以及可能同时维持多个反应的催化剂而迈出的重要一步。研究人员使用的一项概念验证实验是，使用大约的人类头发宽度1/200的钯棒作为催化剂，放置在金纳米条上，这些纳米棒聚焦并"雕刻"了催化剂周围的光线。雕刻的光改变了纳米棒上化学反应释放氢气的区域。

钯纳米棒位于金纳米杆之上。电子束指向样品来观察氢分子（绿色）和铂催化剂之间的催化相互作用。驱动照明的指示灯显示为红色。Katherine Sytwu供图。

"这项研究是实现催化剂从原子尺度到反应堆尺度优化的重要一步，"材料科学与工程副教授、论文高级作者Jennifer Dionne说。"其目的是了解如何通过适当的形状和组分，最大限度地利用催化剂的活性区域，并控制反应的发生。为了观察这种反应，研究人员需要一台强大的显微镜，这个显微镜能够对一个极小规模的活性化学过程进行成像。

"通常很难观察到催化剂在反应条件下是如何变化的，因为纳米粒子非常小，" Dionne实验室前研究生、论文主要作者Katherine Sytwu说，“催化剂的原子尺度特征通常决定转化发生的方向，因此区分小纳米粒子中发生的情况至关重要。” 显微镜还需要具有保持在样品中引入气体和光线之间的兼容性。研究人员最终在斯坦福纳米共享设备（Stanford Nano-Shared Facilities）上使用传输电子显微镜，它特殊附件由Dionne实验室开发引入光线并在接近原子的水平上进行视觉观察。

当遇到一定的温度和压力条件时，富含氢的钯释放出氢原子。为了了解光如何影响这个过程，研究人员定制了一个金纳米条放置在钯下面充当天线，它可以收集入射的光线并汇集到催化剂。"首先，我们需要了解这些材料是如何自然转化的。然后我们开始思考如何修改和控制这些纳米粒子的变化，"Sytwu说。如果没有光，最活跃的脱氢点是纳米棒的两个尖端。然后反应通过纳米棒产生共振，随着反应的移动排出氢气。当光被引入时，研究人员可以操作反应从中间向外或从一个尖端到另一个尖端。根据金纳米条的位置和照明条件，研究人员设法产生了各种替代热点。

这项工作为提高单一催化剂水平的效率提供了可能性。一种催化剂可以处理许多工作，因为光的引入为表面的多种反应提供动力，或者有可能增加反应点的数量。光控制还可以帮助科学家避免与预期反应同时发生的不需要的反应。Dionne希望最终开发能够在分子尺度上分解塑料的催化剂，这样将它分解成源材料来回收利用。

这项研究成果发表在《Science》上。(www.doi.org/10.1126/science.abd2847).