科学家首次在原子尺度上拍摄催化反应过程

    科技日报北京4月14日电 （记者刘霞）美国西北大学科学家主导的国际科研团队借助一种名为SMART-EM（单分子原子分辨率时间分辨电子显微镜）的技术，首次在原子尺度上拍摄了催化反应过程。这项研究有助了解催化剂是如何工作的，从而设计出更有效且可持续的化学反应过程。相关论文发表于最新出版的《化学》杂志。

    这个原子级“电影”揭示了在乙醇脱氢化学反应中，单个原子的移动和摇晃动作。通过实时观察这一过程，研究人员发现了几个“短命”的中间分子，并揭示了一种新的反应途径。

    催化剂被用于制造燃料、肥料、塑料、药品等几乎所有化工产品。为使反应过程更高效环保，科学家需要准确了解催化剂在原子水平上的工作原理。虽然传统的电子显微镜可以对原子成像，但其光束太强，无法对催化中使用的脆弱有机物质成像。而且，高能电子很容易对碳基结构造成破坏，使科学家无法收集相关数据。

    为克服这些困难，研究团队利用了自研的SMART-EM技术。这是一种可以捕获有机分子图像的新技术，用到的电子更少，从而最大程度减少对样品的损坏。

    为检验SMART-EM的能力，研究团队选择了乙醇脱氢这一简单的化学反应。他们为该反应专门设计了具有明确活性位点的催化剂。SMART-EM通过快速捕捉图像序列，拍摄了催化反应的动态过程。

    研究人员发现，乙醇分子氧化时形成的醛分子会粘在催化剂上。这些醛也会连接在一起形成短链聚合物，这一步骤是以前未知的，似乎加速了整个反应的进行。他们还发现，醛也会与乙醇反应形成中间分子——半缩醛，然后转化为其他产物。

    研究团队还借助多种显微镜技术、X射线分析、理论模型和计算机模拟对上述过程进行了验证。结果显示，所有数据均与SMART-EM提供的数据相匹配。

    研究团队表示，SMART-EM正在改变化学研究的方式。他们希望分离出上述反应过程中出现的中间分子，并进一步探究活性有机催化反应的动力学机制。