左图：铁氧化物表面铂纳米粒子图像；中图：H2导致表面沟形成；

右图：O2引起额外铁氧化物岛的增长。

(图片来源：维也纳工业大学)

铂是一种良好的催化剂，可用于许多不同的应用。然而铂是昂贵的，但廉价金属氧化物材料上微小的铂纳米粒子，可被用来将有害的一氧化碳转化为二氧化碳。利用扫描隧道显微镜，维也纳工业大学的科学家们现在能够记录铁氧化物表面铂催化行为的图像，使他们能够在原子尺度上解释这个过程。令人惊讶的是，化学反应不发生在铂纳米颗粒本身，而是铂粒子和铁氧化物表面的相互作用使反应如此高效。这项工作发表在《应用化学》杂志上。

用于催化的微小纳米粒子通常包括很少量的铂原子。它们通过固定目标分子使其与氧气接触来确保氧化反应的发生。按照这种方式，一氧化碳(CO)可以被转化为二氧化碳(CO2)，氢气(H2)被氧化成水(H2O)。这些反应没有铂也可以发生，但是当铂粒子存在时，它们可以在更低的温度下发生。

“我们曾经认为这些  化学反应发生在铂粒子上。但我们的图像清晰地显示，氧化铁也的确参与其中，”Gareth Parkinson教授说。多年来，他与Ulrike Diebold教授(都来自维也纳工业大学)一直在共同研究在金属氧化物表面微小粒子的行为。现在，科学家们能够证明化学反应所需的氧气并非来自周围的气氛，而是来自下面的铁氧化物。

铂粒子下面的四氧化三铁(Fe3O4)具有值得注意的特性。它具有规则的晶体结构，并且每个原子都有其确定的位置，但铁原子仍可相对自由地穿过材料。从周围的气体中捕捉分子，无论是一氧化碳或是氢气，铂纳米粒子把这些分子与铁氧化物表面的氧原子结合，留下过剩的铁原子。然后，这些铁原子迁移到材料深处，在表面留下一个孔洞，通过扫描隧道显微镜拍摄的照片很容易看到。

“这个过程甚至可以引发连锁反应。当铂纳米颗粒发生化学反应时，会在铁氧化物表面形成孔洞，孔洞边缘的原子与其余的材料键合较弱。因此，下一步化学反应更容易在这些边缘发生。铂纳米颗粒略有变化并为下一步反应做准备。最后，我们可以在表面看到沟，留下单独的铂纳米颗粒，”Diebold说。

当铂和铁氧化物暴露在氧气时，相反的现象发生了。铂粒子把氧分子(O2)分解成氧原子，氧原子可以被附着到表面。当铁原子运动到材料表面时，形成铁氧化物岛并紧挨着铂纳米粒子。而不形成空位，许多小岛在表面上生成。

多年来，维也纳工业大学的团队一直在努力为这项研究奠定必要的基础。在许多重要的步骤中，表面科学团队完善了金属氧化物和微小粒子的处理方法。近年来，他们提出了许多重要的新发现，关于金属氧化物结构，关于原子在表面的流动及其它们的化学性质。基于这些经验，现在可以看得见铂的催化化学过程，并详细地解释。

这个新知识可被用来制造更好的催化剂。例如，团队可以证明预处理氢气会提高铂催化效率。原子沟的出现可以使阻止铂纳米粒子聚集，而粒子聚集会降低它们的反应。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby    校正：摩天轮