催化剂在日常生活中发挥着重要但常常被忽视的作用，帮助各种过程，例如烘焙面包和提高将原材料转化为燃料的效率。最近，SLAC的研究人员在加速发现一种新类型的催化剂，即单原子催化剂方面取得了进展。
多年来，催化剂一直是我们日常生活中许多依赖过程的无名英雄。它们使得原材料转化为产品或燃料的能量消耗更少，类似于面包制作中的酵母和合成催化剂以更高效和可持续的方式将原材料转化为燃料。这种新型且前景广阔的催化剂称为单原子催化剂，已经引起了研究人员的注意，使他们寻求更好的方法来研究它们。具体而言，他们旨在了解化学反应发生的地方——称为活性位点——的结构如何影响催化剂增强反应速率的能力，这一特性被称为活性。
在一个重要的进展中，来自SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源（SSRL）的研究人员与加州大学戴维斯分校（UC Davis）的一组团队合作，创建了一种新的软件工具。该工具有效地提供了有关单原子催化剂中活性位点结构的详细定量见解，与传统方法相比，大大减少了所需时间。他们的研究结果发表在Chemistry-Methods上。
通常，催化剂利用惰性支撑以稳定金属原子簇在纳米尺度上或金属纳米颗粒。在催化过程中，只有表面原子充当活性位点，而纳米颗粒的内部原子则保持未使用状态。为了优化金属原子的使用，研究人员提出了一种新方法：使用单原子催化剂，将单个金属原子分散在支撑上。
在设计和创建这些催化剂时，研究人员必须理解活性位点的结构，以便将其与催化活性相关联。为了研究结构，团队专注于支持在氧化镁上的单个铂原子，作为适用于其他单原子催化剂的案例研究。研究的首席作者拉奇塔·拉纳（Rachita Rana）最近获得加州大学戴维斯分校的博士学位，她采用了扩展的X射线吸收微细结构（EXAFS）光谱法。该技术有助于揭示活性位点中原子周围的平均构型，包括邻近原子的数量和排列。通常，研究人员会根据EXAFS数据分析大量候选结构，然后确定最佳拟合。拉纳建议通过将理论计算（称为密度泛函理论）与EXAFS结合，以实现这一分析过程的自动化。初始软件版本QuantEXAFS成功确定了铂原子的结构。
然而，在实际应用中，催化剂通常包含单原子和纳米颗粒。基于QuantEXAFS，拉纳增强了软件的功能，能够评估这些形式的比例，从而提供更详细的结构信息。“MS-QuantEXAFS不仅识别活性位点，还量化每个特定位点的比例，从而简化了整个数据分析过程，”她解释道。“手动进行这些分析可能需要几天到几个月，但使用MS-QuantEXAFS，你可以在普通计算机上在一夜之间完成分析。”
团队的下一步是准备并与更广泛的科学界分享MS-QuantEXAFS。“这个工具为催化研究人员提供了巨大的好处，”拉纳说。合著者、西曼·R·巴尔（Simon R. Bare），SSRL的杰出科学家，也表示赞同，并指出他们希望将其纳入即将到来的学生培训课程中。
这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持，而SSRL作为美国能源部科学办公室的用户设施运作。
