传统的光谱学技术（红外、紫外-可见、拉曼光谱等）可以对催化反应进行原位分析，并能够提供催化反应过程中的重要信息，但其空间分辨率只能达到微米尺度。如何实现高空间辨率的催化剂表面的反应追踪，仍然是一个挑战。虽然单分子荧光光谱可以对催化剂表面的单个转化位点同时进行成像与活性测试，但这种方法也只限于一些能产生强荧光分子的反应。
Dean Toste教授（左）和Elad Gross教授（右）。图片来源：Berkeley Lab
近日，来自加州大学伯克利分校的Dean Toste教授与耶路撒冷希伯来大学的Elad Gross教授使用基于同步辐射红外纳米光谱（synchrotron-radiation-based infrared nanospectroscopy，SINS），成功研究了结合在催化剂颗粒上的N-杂环卡宾分子的化学转化，空间分辨率达25纳米。研究人员由此可以分辨具有不同活性的颗粒区域，结果表明，与颗粒顶部的平坦区域相比，包含低配位数金属原子的颗粒边缘的催化活性更高，能更有效催化结合在催化剂颗粒上的N-杂环卡宾分子中化学活性基团的氧化和还原。相关成果发表于Nature杂志上。
实验装置示意图。图片来源：Nature
研究人员将反应物（N-杂环卡宾分子）涂在金属催化剂的表面，并进一步沉积在硅片上，同时利用同步辐射红外光束聚焦在原子力显微镜（AFM）的探针尖端上。当与高度聚焦的红外光耦合时，原子力显微镜的探针尖端就像一个非常敏感的天线一样，不仅能映射出单个纳米粒子的表面结构，还能得到粒子表面的化学性质。通过这种方法，研究人员可以使空间分辨率达到25纳米，足以分辨出单个粒子不同区域的催化活性。
Pt粒子催化反应过程。图片来源：Nature
研究人员首先采用100 nm左右的Pt纳米粒子为催化剂，以N-杂环卡宾分子作为反应物模型，并修饰羟基基团。在氧化条件下，羟基可以被氧化为羧酸基团，而在还原条件下，羧酸基团可逆地被还原为羟基。利用同步辐射红外光谱记录粒子不同位点处的官能团信息，即可得到相应位点所对应的催化活性。
颗粒中心与边缘处的氧化催化活性对比。图片来源：Nature
研究人员发现，Pt纳米颗粒的边缘区域与中央区域显示出不同的催化活性。这表明，在原子水平上，具有高度缺陷的区域比平坦区域具有更高的催化活性。研究人员对此解释道，随着粒子粒径的减小，其结构也会变得更加不均匀，因而会出现更多的缺陷。而颗粒边缘处的原子比中央平坦区域有更少的邻近原子，这意味着边缘处的原子有更多的自由来参与到化学反应中。
研究人员进一步将该技术运用到Au纳米粒子催化还原硝基的反应中，从而证实其通用性。
Au粒子催化反应过程。图片来源：Nature
该技术可以帮助研究人员优化催化剂的结构，从而使它们更有效地促进化学反应的过程。此外，该技术的空间分辨率比传统技术提高了三个数量级，这也为催化化学与表面化学的研究开辟了广阔的前景。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
High-spatial-resolution mapping of catalytic reactions on single particles
Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature20795
部分内容编译自：
http://newscenter.lbl.gov/2017/01/11/chemistry-on-the-edge/
导师介绍
Dean Toste教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/774
（本文由冰供稿）
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