科學家破解鉑原子隱密世界 催化技術將迎來革命性突破

蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的研究團隊開發出一項突破性技術，能夠深入觀測單原子催化劑的微觀世界。這類材料的每個原子都肩負著驅動化學反應的關鍵任務。透過類似醫院核磁共振造影(MRI)的技術，科學家首度揭露鉑原子與周圍環境在原子級別的互動作用，這項發現有望讓化學製程變得更環保、更高效。

催化作用在現代社會扮演舉足輕重的角色，從燃料到藥品，約80%的化學產品製程都需要催化劑。汽車排氣系統和燃料電池等技術也高度依賴催化作用。其中鉑金(白金)由於催化效果卓越，成為應用最廣泛的催化劑之一，但同時也面臨三大難題：產量稀少、價格昂貴，以及開採過程會排放大量二氧化碳。因此科學家致力於尋找既能減少鉑金用量，又能維持高效催化效能的方法。

近年來學界開始關注一類新興的「單原子催化劑」，這類材料將單個鉑原子分散在具有多孔結構的載體上(例如摻雜氮原子的碳基材)。氮原子就像微型錨點，能固定每個鉑原子的位置，確保所有原子都能參與催化反應。

由Javier Pérez-Ramírez和Christophe Copéret教授領軍的跨國研究團隊有了驚人發現。他們運用核磁共振技術(NMR)發現，這些單原子催化劑的結構遠比想像中複雜，每個鉑原子所處的微環境都存在細微差異，而這些差異竟會顯著影響催化效率。

這項發表於《自然》期刊的研究成果，為設計更智慧、更高效的催化劑開啟新篇章。透過精準調控鉑原子周圍的原子結構，未來可望用更少的原料達到更優異的催化效果，對工業發展和環境保護都是重大突破。

「過去我們只能用電子顯微鏡觀察鉑原子，雖然影像很清晰，卻無法得知它們的催化特性。」Pérez-Ramírez教授解釋。研究團隊突發奇想，將醫院常用的核磁共振技術應用在原子尺度上。Copéret教授補充說明：「就像交響樂團中各種樂器會發出不同音調，鉑原子的共振頻率也會因其周圍的碳、氮、氧原子排列方式而異。」

研究過程中還有一段插曲：Copéret教授在里昂參訪時，巧遇來自奧胡斯大學的電腦模擬專家。這段意外相遇促成的跨國合作，讓團隊成功開發出能解析鉑原子「原子指紋」的演演算法，繪製出前所未有的單原子催化劑結構圖譜。

這項突破性分析方法不僅為催化劑研究樹立新標竿，更具備實際應用價值。研究團隊指出，這項技術可幫助最佳化催化劑生產流程，讓每個鉑原子都處在經過精心設計的微環境中。Copéret教授強調：「從智財權角度來看，能精準描述原子級催化劑結構，對專利保護至關重要。」