一组科学家在原子级别上直接观察到了催化作用的进行。在迷人的新视频中，单个原子在化学反应中移动和晃动，该反应从醇分子中去除氢原子。通过实时观察这一过程，研究人员发现了几个参与反应的短暂中间体分子，以及一个先前未被发现的反应路径。
一个由西北大学领导的国际科学团队首次在原子级别上直接观察到了催化作用的进行。
在迷人的新视频中，单个原子在化学反应中移动和晃动，该反应从醇分子中去除氢原子。通过实时观察这一过程，研究人员发现了几个参与反应的短暂中间体分子，以及一个先前未被发现的反应路径。
这些观察是通过单分子原子分辨率时间分辨电子显微镜（SMART-EM）得以实现的，这是一种强大的仪器，能够让研究人员实时观察单个分子的反应。
以这种方式观察反应有助于科学家理解催化剂的工作原理。这些新的见解可能导致设计出更高效和可持续的化学过程。
这项研究将在周五（4月11日）发表于期刊Chem。
西北大学的Yosi Kratish表示：“通过可视化这一过程并关注反应机制，我们可以详细了解究竟发生了什么。过去我们无法看到原子的运动，现在我们可以。当我意识到我们所取得的成就时，我不得不合上笔记本电脑，休息几个小时。没有人曾在催化中做到过这一点，所以我感到震惊。”
西北大学的Tobin J. Marks，研究的资深作者说：“催化剂使现代生活成为可能。它们用于制造从燃料、肥料到塑料和药物的一切。为了使化学过程更高效和环保，我们需要准确理解催化剂在原子级别的工作原理。我们的研究是朝着这个目标迈出的重要一步。”
作为催化领域的专家，Marks是西北大学温伯格艺术与科学学院的查尔斯·E·和艾玛·H·莫里森化学教授，及西北大学麦考密克工程学院的催化化学 Vladimir N. Ipatieff 教授。Kratish是Marks团队的化学研究助理教授。Marks和Kratish与麦考密克材料科学与工程教授Michael Bedzyk，以及温伯格的查尔斯·E·和艾玛·H·莫里森化学教授George C. Schatz共同领导了这项研究，还包括创造SMART-EM的东京大学Eiichi Nakamura教授和助理教授Takayki Nakamuro。
捕捉瞬息即逝的分子与“电影化化学”
研究人员长期以来一直寻求在原子级别观察实时催化事件。化学反应就像是原材料和最终产品之间的旅程。在这个旅程中，瞬态——有时意想不到的——分子形成然后突然转变成其他分子。由于这些所谓的“中间”分子是不可预测和短暂的，所以很难检测。
然而，通过直接观看反应展开，科学家可以确定事件的确切顺序，以揭示完整的反应路径，并观察那些难以捉摸的中间体。但是，直到最近，观察这些隐蔽动力学是不可能的。虽然传统的电子显微镜可以成像原子，但它们的束流太强，无法成像催化中使用的柔软有机物质。高能电子轻易地破坏基于碳的结构，在科学家能够收集数据之前就摧毁了它们。
Kratish说：“大多数传统的透射电子显微镜技术在容易损坏有机分子的条件下运行。这使得使用传统的TEM方法直接观察敏感的催化剂或有机物在反应中的行为极具挑战性。”
为了克服这一挑战，团队转向了SMART-EM，这是一种能够捕捉精细有机分子图像的新技术。由Nakamura及其团队于2018年揭示的SMART-EM使用的电子剂量远低于以往，最小化了传递给样本的能量和损坏。通过捕捉快速的图像序列，SMART-EM生成动态过程的视频，这种方法Nakamura称之为“电影化化学”。
Nakamura在2019年的一份声明中表示：“自2007年以来，物理学家们实现了一个历史悠久的梦想——看到单个原子的能力。但这并不是结束。我们的研究小组超越了这个梦想，制作了分子的动画视频，以看到化学反应前所未有的细节。”
从混乱到可测量
当首次将SMART-EM应用于催化时，西北大学团队选择了一种简单的化学反应：从醇分子中去除氢原子。但首先，他们需要选择合适的催化剂。大约85%的工业催化剂是异相催化剂，这意味着它们是与液体和气体反应的固体材料。虽然异相催化剂是稳定且高效的，但也很复杂，有许多不同的表面位点可以进行反应。
Kratish说：“异相催化剂有许多优点。但也有一个主要缺点：在许多情况下，它们是一个黑箱。它们有着未知数量的反应位点。因此，我们并不完全了解反应发生的地方和方式。这意味着我们无法确切确定哪个部分的催化剂是最有效的。”
为了使催化剂更易于研究，西北大学团队设计了一个具有明确定义的活性位点的单位点异相催化剂。该单位点催化剂由锰氧化物颗粒固定在锥形碳纳米管上组成。随后，团队使用SMART-EM研究了他们的催化剂如何促进乙醇转化为氢气，这是一种清洁的替代化石燃料的气体。
Kratish说：“拥有单一位点便利得多。我们可以选择一个好的位点进行监测，并真正放大它。”
揭示一个隐蔽的路径
在这项研究之前，科学家们假设醇直接进入催化剂，在那里转化为氢气和醛（醇分子氧化时形成的分子）。从那里出发，醛作为室温下的气体，逃逸到空气中。但观察这个过程展开揭示了不同的故事。
使用SMART-EM，研究人员发现醛并没有漂浮走，而是粘附在催化剂上。他们还发现醛链连接在一起形成短链聚合物——一个先前未知的步骤，似乎推动了整体反应。在另一个惊喜中，研究人员发现醛还与醇反应形成半缩醛，这是一种中间分子，然后转化为其他产物。
为了确认这些发现，团队使用了多种显微技术、X射线分析、理论模型和计算机模拟。所有这些结果都与SMART-EM数据相匹配。
Kratish说：“这是一个重大的突破。SMART-EM正在改变我们看待化学的方式。最终，我们希望隔离这些中间体，控制输入系统的能量量，并研究实时有机催化转化的动力学。这将是惊人的。这仅仅是个开始。”
这项研究《原子分辨率成像作为研究单位点异相催化的机制工具》得到了美国能源部的支持。Marks是国际纳米技术研究所、生命过程化学研究所和保拉·M·特里宁斯可持续发展与能源研究所的成员。
