观察双金属催化表面的运作

马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所界面科学系的一组研究人员解决了这个问题：在合成甲醇所需的反应条件下，Ga 促进的 Cu 表面会发生什么?他们发现这种双金属催化剂发生了复杂的结构转变，这可能会改变人们对催化活性表面结构的普遍看法。

在著名的 Cu/ZnO/Al 2 O 3催化剂上，在高压(即 50 - 100 bar)下，CO 2氢化成甲醇的效率很高。然而，这种合成不仅带来了安全风险和高能耗，而且为了保持高选择性而限制了气体进料中的CO 2浓度。因此，非常需要一种用于低压甲醇合成的新型催化剂，也适合未来开发在环境压力下使用太阳能产生的氢气的小型装置。

最近发现，含Ga的金属间化合物和合金即使在大气压下也表现出良好的催化性能。然而，人们对Ga在这些催化剂中的促进作用仍然知之甚少，这主要是因为缺乏有关催化剂表面结构的信息。在这方面，在反应条件下使用表面敏感技术应用于明确的模型催化剂的研究可以提供关键信息，帮助我们理解活性位点、反应中间体以及最终反应机制的动态性质。

弗里茨哈伯研究所界面科学系的一组研究人员利用实验室近环境压力 X 射线光电子能谱 (NAP-XPS) 和扫描隧道显微镜 (NAP-STM) 现场监测结构以及CO 2加氢反应中Ga-Cu双金属表面的化学演化。他们观察到双金属表面与温度和压力相关的去合金化，导致 Ga 氧化物岛嵌入铜表面。尽管氧化物相的化学计量接近于 Ga 2 O 3，即最稳定的氧化镓，它实际上形成了一个超薄层。像Ga这样容易氧化的金属的促进作用经常在结构模型中讨论，其中块状氧化物被放置在金属表面的顶部，相应的反应机制涉及界面处中间物质的溢出。本研究清楚地表明：(i)Ga-氧化物嵌入到金属表面;(ii) Ga 氧化物岛超薄，很可能是“单层”厚度。对于含镓金属间化合物，也预期反应诱导在金属表面上形成超薄氧化镓层。重要的是，这种二维氧化物薄膜在结构和反应性方面与块状氧化物薄膜有很大不同。因此，在CO 2加氢反应条件下形成的GaO x /Cu界面可能会暴露出以前从未考虑过的催化活性位点。使用通常用于表征粉末催化剂的体积敏感技术不可能获得此类信息。

这项研究的结果是在 CATLAB 项目的框架内进行的，并得到了亚历山大·冯·洪堡基金会的支持，该研究刚刚发表在《自然通讯》上，揭示了含镓催化系统的复杂表面结构。只有在反应条件下使用最先进的实验技术才能获得对工作催化剂的这种见解。只有建立工作条件下Ga氧化物层的原子结构及其与过渡金属的界面，才能深入了解这种甲醇合成催化剂的反应机理。

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