用单个原子实现无化石燃料的化学合成
核心要点
科学家们正致力于借助催化剂来提高化学反应的效率，其理想目标是以最经济的方式使用稀有金属。
苏黎世联邦理工学院的化学家们利用负载在载体材料上的、单个且孤立的铟原子，成功制备出一种新型催化剂。该催化剂在将二氧化碳和氢气转化为甲醇的反应中表现出极高的效率。
甲醇可作为生产众多化学产品（包括塑料和燃料）的原料。这项技术为构建无化石燃料的化学工业奠定了基础。
每一个化学反应都面临着一个能量障碍：要让物质之间发生反应，首先必须提供能量。在许多情况下，这个能量障碍很低——比如划燃一根火柴。然而，对于工业上的许多关键反应而言，这个障碍要高得多，而更高的能量需求会推高生产成本。为了降低这个障碍，化学家们会使用被称为催化剂的“反应助手”。性能最佳的催化剂通常含有金属，有时甚至包含稀有金属。
如今，来自苏黎世联邦理工学院的化学家们在催化研究的多个层面取得了突破性进展：
他们成功开发出一种催化剂，能显著降低由温室气体二氧化碳和氢气生产甲醇（一种醇类化合物）所需的能量门槛。
在该催化剂中，研究人员以一种极致高效的方式利用了金属铟——这意味着每一个独立的铟原子都可以充当一个活性位点。
过去的催化研究常常遵循一种“试错法”。而新发现的催化剂使得科学家能够更精确地分析其表面发生的反应机理，从而为理性设计催化剂铺平了道路。
绿色化学的“瑞士军刀”
“甲醇堪称生产各种化学品和材料（例如塑料）的通用前体，可以说是化学界的‘瑞士军刀’，”苏黎世联邦理工学院催化工程学教授哈维尔·佩雷斯-拉米雷斯这样形容。因此，这种液态化合物在向可持续且无化石燃料的化学品和燃料生产转型过程中，扮演着至关重要的角色。
如果用于制备氢气以及驱动催化过程所需的能源均来自可持续途径，那么最终甚至可以实现甲醇的气候中和生产。这提供了一种方法，能将大气中的二氧化碳作为原料加以利用，而不是像现在这样仅仅将其排放掉。
实现金属的最大化利用
“我们的新型催化剂采用了单原子结构，其中孤立的活性金属原子被锚定在一种特殊开发的载体材料表面，”佩雷斯-拉米雷斯解释道。相比之下，传统催化剂中的金属通常以聚集体形式存在，一般是微小的颗粒。尽管这些颗粒极其微小，但它们往往包含成百上千个金属原子。
当原子能够独立发挥作用时，它们的催化性质也常常会发生改变。“铟元素用于这类催化剂已有超过十年的历史，”佩雷斯-拉米雷斯指出。“但在我们的研究中表明，负载于氧化铪上的孤立铟原子，比那些包含大量原子、以纳米颗粒形式存在的铟，能更高效地催化基于二氧化碳的甲醇合成。”
难怪单原子催化剂会成为当前催化研究领域的热点。它们代表了在使用昂贵且稀缺的化学元素时所能达到的效率巅峰。如果能够以单个原子的形式使用金属，那么即使是贵金属也有可能实现经济可行的应用。
精准锚定单原子
为了将单个铟原子精准地锚定在氧化铪表面，这个跨学科的ETH团队与其它研究机构的同仁合作，探索了多种合成路径。这项开发工作的关键之一在于载体材料的特定结构，它能为铟原子提供一个既稳定又具有反应活性的微环境。
在一种经过验证的制备工艺中，起始原料在2000至3000摄氏度的火焰中燃烧，然后迅速冷却。在这种条件下，铟倾向于停留在载体表面，并被稳定地结合进去。
通过将催化活性金属原子嵌入耐高温的氧化铪载体中，ETH的化学家们证明了单原子催化剂即使在极端条件下也能保持稳定。因此，那些需要高温高压的反应条件也变得可行。例如，由二氧化碳和氢气合成甲醇就需要高达300摄氏度的温度和相当于常压50倍的压力。
催化剂金属与载体间的协同作用
此外，以往研究中使用的纳米颗粒催化剂就像一个“黑箱”。因为催化过程仅发生在颗粒表面少数原子上，而许多测量信号却来自颗粒内部那些并未参与反应的大量原子。这使得对实验结果的解读变得困难重重。然而，对于具有孤立单原子结构的催化剂而言，由于干扰信号大大减少，科学家可以更清晰地分析反应机理。
自2010年起，佩雷斯-拉米雷斯不仅在ETH致力于研究从二氧化碳更高效地生产甲醇的催化剂，他还与工业界保持着紧密合作，并在此领域持有数项专利。佩雷斯-拉米雷斯认为，近年来瑞士在催化研究领域形成的庞大合作网络是这项新型单原子催化剂方法得以成功开发的关键因素之一：“如果没有这种跨学科的专业知识和紧密协作，我们不可能实现这款甲醇催化剂的突破性进展，也不可能对其反应机理进行如此详尽的分析。”
