科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

美國西北大學(xué)科學(xué)家主導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊(duì)借助一種名為SMART-EM（單分子原子分辨率時(shí)間分辨電子顯微鏡）的技術(shù)，首次在原子尺度上拍攝了催化反應(yīng)過程。這項(xiàng)研究有助了解催化劑是如何工作的，從而設(shè)計(jì)出更有效且可持續(xù)的化學(xué)反應(yīng)過程。相關(guān)論文發(fā)表于最新出版的《化學(xué)》雜志。

這個(gè)原子級(jí)“電影”揭示了在乙醇脫氫化學(xué)反應(yīng)中，單個(gè)原子的移動(dòng)和搖晃動(dòng)作。通過實(shí)時(shí)觀察這一過程，研究人員發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)“短命”的中間分子，并揭示了一種新的反應(yīng)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(chǎn)品。為使反應(yīng)過程更高效環(huán)保，科學(xué)家需要準(zhǔn)確了解催化劑在原子水平上的工作原理。雖然傳統(tǒng)的電子顯微鏡可以對(duì)原子成像，但其光束太強(qiáng)，無法對(duì)催化中使用的脆弱有機(jī)物質(zhì)成像。而且，高能電子很容易對(duì)碳基結(jié)構(gòu)造成破壞，使科學(xué)家無法收集相關(guān)數(shù)據(jù)。

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

為檢驗(yàn)SMART-EM的能力，研究團(tuán)隊(duì)選擇了乙醇脫氫這一簡單的化學(xué)反應(yīng)。他們?yōu)樵摲磻?yīng)專門設(shè)計(jì)了具有明確活性位點(diǎn)的催化劑。SMART-EM通過快速捕捉圖像序列，拍攝了催化反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程。

研究人員發(fā)現(xiàn)，乙醇分子氧化時(shí)形成的醛分子會(huì)粘在催化劑上。這些醛也會(huì)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(gè)反應(yīng)的進(jìn)行。他們還發(fā)現(xiàn)，醛也會(huì)與乙醇反應(yīng)形成中間分子——半縮醛，然后轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)物。

研究團(tuán)隊(duì)還借助多種顯微鏡技術(shù)、X射線分析、理論模型和計(jì)算機(jī)模擬對(duì)上述過程進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示，所有數(shù)據(jù)均與SMART-EM提供的數(shù)據(jù)相匹配。

研究團(tuán)隊(duì)表示，SMART-EM正在改變化學(xué)研究的方式。他們希望分離出上述反應(yīng)過程中出現(xiàn)的中間分子，并進(jìn)一步探究活性有機(jī)催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。