百年催化难题：通过测量电子的极小部分得以破解

他们的研究成果发表在开放获取期刊《ACS Central Science》上，阐明了金、银、铂等贵金属在催化过程中表现优异的原因。该结果还为设计先进催化材料指明了新方向。

催化剂在现代工业中的重要性：工业催化剂是能降低特定化学反应所需能量的物质，有助于制造商在生产关键材料时提高反应速度、产率或效率。它们在制药、电池以及原油精炼等石化作业等领域发挥着关键作用，使生产系统能够满足全球需求。提高催化剂的速度、可靠性和可控性已成为庞大的燃料、化工和材料行业的主要目标。随着这些行业的扩张，全球范围内开发更高效、低成本催化系统的竞争日益激烈。

揭示分子与金属共享电子的机制：当分子接触催化表面时，它们会与金属（此处指金、银或铂）交换部分电子。这种相互作用暂时稳定分子，使反应得以进行。科学家们对这种行为的猜测已有100多年，但涉及的微小电子分数从未被直接测量过。位于明尼苏达大学的可编程能源催化中心的研究人员现已证明，这种电子共享可以通过他们创建的一种名为等电位电子滴定（IET）的技术直接测量。

更清晰地了解催化剂行为：明尼苏达大学化学工程博士生、该研究的主要作者贾斯汀·霍普金斯说：“在如此微小的尺度上测量电子分数，为了解催化剂上分子的行为提供了迄今为止最清晰的视角。”“历史上，催化剂工程师依赖在理想条件下进行更间接的测量来了解表面分子。而这种新的测量方法则在与催化相关的条件下对表面键合作出了具体描述。”准确了解催化剂表面发生的电子转移量对于理解其性能效果至关重要。更容易共享电子的分子往往结合更牢固，反应也更容易进行。贵金属能达到驱动催化反应所需的理想电子共享水平，但这种共享的精确程度直到现在才被直接捕捉到。

IET作为催化剂发现的新工具：IET技术现在可用于直接描述和比较新的催化剂配方，帮助研究人员更快地识别有前景的材料。休斯顿大学卡伦工程学院威廉·A·布鲁克希尔化学与生物分子工程系副教授、通讯作者奥马尔·阿卜杜勒拉赫曼说：“IET使我们能够测量与催化剂表面共享的电子分数，甚至可低至百分之一以下，例如铂上的氢原子就是如此。氢原子在铂催化剂上结合时仅释放0.2%的电子，但正是这一小部分比例使氢能够在工业化学制造中发生反应。”

连接纳米技术、机器学习与催化：用于构建催化剂的纳米技术迅速发展，再加上能够搜索和分析海量数据集的机器学习工具，已经扩大了已知催化材料的种类。IET提供了第三种互补方法，使研究人员能够在基本电子层面直接研究催化剂行为。明尼苏达大学杰出教授、可编程能源催化中心主任保罗·多恩豪尔说：“工业新催化技术的基础始终是基础研究。这种电子分数分布的新发现为理解催化剂奠定了全新的科学基础，我们相信这将在未来几十年推动新能源技术的发展。”

更大国家计划的一部分：这一发现支持了可编程能源催化中心的更广泛使命，该中心是美国能源部能源前沿研究中心之一。自2022年成立以来，该中心一直致力于开发下一代催化技术，旨在通过先进的动态催化剂系统生产材料、化学品和燃料。