Nature子刊：韩国科学院发现双金属表面化学反应的可视化

不同环境下PtNi双金属表面结构的演化，图片来源：韩国科学院

      在揭开分子之美和化学反应之谜的道路上，化学家们发现了催化剂的重要性。Jeong Young Park教授也不例外，他的研究重点就是催化化学反应。最近，他的研究团队在双金属催化剂反应机制的问题上取得了重大突破，这也是化学界长期存在的问题。

      Park教授的研究小组发现，双金属催化剂协同催化效应的关键因素是金属氧化界面的形成。而这一反应机制是通过对反应条件的原位成像来确认的。这是反应条件下的双金属表面可视化的开端，同时让化学界看到了金属氧化物界面在多相催化中的作用。这一令人瞩目的成果在Science Advances上做了报告，随后又发表在了Nature Communications上。

      双金属材料以其卓越的催化性能，为控制催化剂的电子结构和结合能开辟了新途径。然而尽管化学家们对各种催化反应效率进行了大量研究，但性能改善背后的基本原理仍未得到解决。更关键的是很难找出是什么导致了效率的提升，因为随着反应条件的变化，双金属材料的结构、化学成分和氧化态都会随之发生改变。

      最近研究小组提出了一种新的观点，即催化性能的提高可能与双金属纳米颗粒表面分离所形成的金属氧化界面有关。然而，他们却没能提供任何明确的证据来说明金属氧化界面的物理性质或基本作用与催化剂性能之间的关系。

 

Pt-CoO界面的形成提升了PtCo双金属催化剂的性能，图片来源:韩国科学院

      通过观察，研究小组发现在不同的气体条件下铂镍双金属催化剂具有不同的结构。在超高真空条件下，铂镍合金表面会形成一层铂金皮层，而氧气环境下会发生选择性镍偏析并利用氧气形成镍氧化物簇，最后在一氧化碳氧化过程中，会发现镍氧化物簇共存于铂金表面上。研究小组发现，铂镍界面氧化物纳米结构的形成可以有效提高一氧化碳氧化反应的效率。

      这些发现说明了金属氧化物界面的热动力高效反应通道是双金属催化剂表面催化活性的来源，证明了金属-载体相互作用的影响。这些界面金属氧化物纳米结构的形成增强了催化活性，同时通过降低表面反应热度提供了一个热动力高效反应通道。

      Park教授说，在表面反应过程中检测与能量耗散和转换过程相关的热电子是一种有效观测催化剂的方法。他的团队在放热氢氧化过程中，对双金属PtCo纳米粒子产生的热电子进行了实时检测。他们成功地阐明了PtCo纳米粒子协同催化活性的来源以及相应的化学价值。

      通过对化学物质产量的估算，研究小组推论出双金属纳米粒子的催化性能受到金属氧化界面的严格控制，从而促进热电子传递。