Nat. Mater.后又发Science：明察秋毫，原位观察单粒子的催化性能

催化剂的整体反应性源于大量氧化物支持的金属纳米颗粒（NP）的活性叠加，这些纳米颗粒的大小、形状和暴露面类型各不相同。此外，每个NP的属性都是其单个面及其界面的叠加的结果。在反应过程中，不同的金属NP和暴露面甚至可能对反应条件做出不同的反应，因此对反应位点的原位监测至关重要。

奥地利科学院院士、维也纳工业大学Günther Rupprechter教授课题组致力于用原位技术来观测催化反应过程，在2018年，他们就已在Nature Materials上报道了利用光电发射电子显微镜(PEEM)对单个Pd NPs进行了研究，发现了一氧化碳(CO)氧化过程中金属-氧化物界面的长程通信效应。在这种方法中，单粒子动力学测量是基于局部PEEM图像强度变化的反应。然而，由于PEEM的分辨率限制，Pd粒子的单个面不能被分辨。

在这之后，他们继续深挖，在原基础上优化，终于实现了对单个面的解析，成果发表在Science上，Resolving multifrequential oscillations and nanoscale interfacet communication in single-particle catalysis。

在这个工作中，作者将原位场电子显微镜(FEM)应用于催化H₂氧化的弯曲铑(Rh)晶体(半径为650 nm)的半球形顶点上，该技术提供了高空间分辨率(~ 2 nm)和时间分辨率(~ 2 ms)，并允许吸附物种和反应前沿成像。FEM的研究通过使用电离反应产物(H₂O分子)作为成像物种在场离子显微镜(FIM)直接可视化了活性位点，获得了振荡中H₂氧化的全面图片，将工作表面，反应物，甚至产物可视化。数十个纳米面可以被单独分解，揭示它们的反应活性(活性位点)以及反应过程中它们之间的纳米级通信。此外，作者还发现了表面上的几行原子如何影响局部活动，导致频率锁定和夹带效应，并最终导致空间耦合的崩溃。实验结果由时间依赖的氧物种覆盖率和振荡频率的微观动力学模型支持。

图文详情

图1. 弯曲Rh晶体的顶点作为单催化颗粒

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图2. 催化H₂氧化反应中的振荡

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图3. 利用电离产物(水)作为成像离子，在氢氧化过程中弯曲Rh晶体上的活性位点的FIM映射

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图4. 模拟O₂和H₂压力分别为4.4×10⁻⁶和4.8×10⁻⁶ mbar时的动力学振荡

作者简介

Nat. Mater.后又发Science：明察秋毫，原位观察单粒子的催化性能

Günther Rupprechter在1996年获得奥地利因斯布鲁克大学的物理化学博士学位。在加州大学伯克利分校任博士后经历后，他于1999年至2005年在德国柏林的马克斯普朗克协会Fritz Haber研究所担任激光光谱和催化的组长。2005年，他接受了维也纳理工大学表面和界面化学的全职教授职位。目前担任奥地利催化学会副主席，FWF特别研究计划（SFB）“功能氧化物表面和界面（FOXSI）”的发言人，以及“Catalysis Letters”和“Topics in Catalysis”优秀SCI期刊的编委。他的研究重点是多相催化，特别是原位（operando）光谱学/显微镜研究技术。2005年，他获得了德国催化学会的“表面科学方法在多相催化中的应用”的Jochen Block奖，并于2012年成为奥地利科学院的院士。

原文链接

Resolving multifrequential oscillations and nanoscale interfacet communication in single-particle catalysis. Science 372 (6548), 1314-1318.

http://science.sciencemag.org/content/372/6548/1314

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