催化剂的有效性往往在很大程度上依赖于其所应用的表面。早在很久以前就已经确定，碳基材与贵金属催化剂的配合效果显著，尽管这一现象背后的原因并不十分清楚。最近，研究人员揭示了这一现象的潜在原因，展现出一些令人印象深刻的发现：位于碳旁边的金属原子显示出二百倍更大的催化效率。
贵金属在化学工业中作为催化剂至关重要。银、铂、钯等元素促进通常不会发生或者发生速率显著较低的化学反应。通常，这些金属以微小的纳米颗粒形式使用。然而，它们的性能也受到沉积在其上的表面的影响。看起来，碳基的纳米颗粒表现出特别卓越的有效性，这一事实在许多年里一直被笼罩在神秘之中。
维也纳科技大学的研究人员通过准确测量和阐明金属纳米颗粒与碳基材之间的相互作用取得了重要进展。他们发现，银原子在碳支撑上表现出比纯银中高出二百倍的活性。在计算机上进行的模拟表明，银与碳直接接触的区域是至关重要的。研究人员开发了一种新方法，涉及氢同位素交换，快速有效地评估催化剂支撑的有效性。
从“黑色艺术”到科学
维也纳科技大学材料化学研究所的Günther Rupprechter教授指出，碳作为催化剂的支撑材料的作用长期以来充满了神秘色彩。碳的来源被揭示为至关重要。各种过程使用来自椰子壳、纤维材料或独特木材的碳。这些“配方”甚至在专利文件中得以引用，尽管化学品的来源理应相对不那么重要。“它总让人觉得有点黑色艺术，”Günther Rupprechter说道。
基本的看法是，不同的生产技术可能造成轻微的化学或物理差异：也许根据生产方法，碳结构本身有所不同，含有少量附加化学元素，或其表面有功能团——参与化学反应的微小分子单位。
“在化学工业中，实践者常常满足于知道一个过程是有效且可重复的，”Rupprechter注意到。“但我们旨在追溯效果的根源，并准确理解在原子层面发生了什么。”合作单位包括西班牙的加的斯大学和维也纳科技大学的USTEM电子显微镜中心。
微反应器中的精确测量
研究小组首先创建能够精确分析的样本：在碳基质上创建了已知尺寸的银纳米颗粒，同时缺乏碳的薄银箔。
团队随后在化学反应器中研究了这两种样本：“银能够有效分解氢分子为独立氢原子，”研究的主要作者Thomas Wicht解释道。“这些氢随后可用于如乙烯的氢化等过程。类似地，常规氢分子可以与重氢（氘）混合。这两种氢类型随后被银分解并重新组合。”两种氢同位素之间的交换频率直接反映催化剂的活性。
这种方法使得首次能够精确量化具有和不具有碳基材的银原子之间的活性差异——分离出一些显著的结果：“碳的存在使得每个银原子的活性提高了二百倍，”Thomas Wicht表示。“这对工业用途非常重要，因为你只需要昂贵的贵金属的二百分之一的量，即可通过简单地添加相对便宜的碳实现相同的催化效果。”
激动人心的效果发生在接口处
维也纳科技大学的Alexander Genest执行了计算机模拟，以评估碳上的银纳米颗粒与纯银的氢激活。研究结果表明，关键元素存在于银颗粒与碳支撑之间的界面区域。最大的催化效果正好发生在这两种材料连接的地方。“并不是碳表面的大小或外来原子或功能团的存在重要。当反应物与碳和银原子直接在其界面相互作用时，会产生极大的催化效果，”Alexander Genest解释道。这个接口越大，催化剂的活性就越显著。
基于这一理解，现在可以轻松测试各种碳源的催化有效性。“理清了其中的机制，我们知道该关注什么，”Günther Rupprechter说。“我们的常规氢和重氢的混合实验非常简单且能够提供可靠的数据，判断特定碳载体变体是否对其他化学反应有效。”深入理解原子级别的过程有望在工业应用中节省时间和资金，并提高质量保证。
