斯坦福大学的研究人员推出了一种软件工具，可以加速和增强对单原子催化剂的分析，为开发更高效的催化剂提供了深远的影响。
催化剂在日常生活中起着至关重要的作用，从帮助面包发酵到更有效地将原材料转化为燃料。现在，SLAC的研究人员开发了一种更快的方法来推进一种令人兴奋的新型催化剂的发现，这种催化剂被称为“单原子催化剂”。
催化剂在现代化学中的作用
几十年来，催化剂悄悄地为日常生活中的无数过程提供了动力。这些必需物质减少了将原材料转化为有用产品所需的能量，就像酵母帮助面包发酵一样。从制造燃料到推动可持续的化学反应，催化剂起着至关重要的作用。
其中，被称为单原子催化剂的一类很有前途的催化剂引起了人们的注意。为了充分利用它们的潜力，研究人员需要更好的方法来研究它们 —— 特别是化学反应发生的“活性位点”的结构。了解这些位点是提高它们加速反应能力的关键，也就是它们的活性。
单原子催化剂的研究进展
在向前迈出的重要一步中，来自美国能源部SLAC国家加速器实验室斯坦福同步辐射光源（SSRL）的研究人员与来自加州大学戴维斯分校（UC Davis）的一个团队合作，开发了一种新的软件工具，与目前的方法相比，它可以在更短的时间内提供有关单原子催化剂活性位点结构的更多定量细节。研究结果发表在《化学方法》杂志上。
通常，催化剂使用惰性载体来稳定纳米级的金属原子簇或金属纳米颗粒。在催化过程中，只有表面原子充当活性位点，而纳米颗粒内部的原子则不使用。为了最大限度地利用每个金属原子，研究人员提出了一个很有前途的想法 —— 单原子催化剂，其中单个金属原子分散在载体上。
催化剂分析技术的创新
在设计和开发这些催化剂时，研究人员需要了解活性位点的结构，以便将其与活性联系起来。为了更多地了解这种结构，研究小组使用了在氧化镁载体上稳定的单铂原子作为类似单原子催化剂的案例研究。
该研究的主要作者Rachita Rana最近从加州大学戴维斯分校获得了博士学位，她利用了一种称为扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱的技术，该技术揭示了活性部位原子周围的平均环境，例如邻近原子的数量和距离。
传统上，使用EXAFS数据，研究人员在选择最佳匹配之前评估数十到数百个候选结构。相反，Rana建议通过结合理论计算（称为密度泛函理论）和EXAFS来自动化分析过程。该软件的第一个版本QuantEXAFS确定了一种原子的结构，在这种情况下是铂原子。
简化催化中的数据分析
实际上，催化剂通常既有单原子又有纳米粒子。在QuantEXAFS的基础上，Rana扩展了代码的功能，以确定这两种形式的分数，提供关于结构的更具体的信息。
她说：“MS-QuantEXAFS不仅可以帮助识别活性位点，还可以量化特定位点的百分比，并使整个数据分析过程自动化。”“如果你手动操作，通常需要几天到几个月的时间。有了MS-QuantEXAFS，你就有可能在一台本地计算机上连夜完成这项分析。”
该团队下一步将准备并向科学界发布MS QuantEXAFS。Rana说：“这个工具可以为催化研究人员提供很多东西。”合著者、SSRL杰出科学家Simon R. Bare对此表示赞同，并补充说，他们还计划将其纳入培训课程，特别是针对下一代学生。
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