『钱江晚报小时新闻』解密催化反应黑匣子，浙大成果登《科学》，电镜下抓到两只“兔耳朵”
钱江晚报·小时新闻采访人员王湛通讯员吴雅兰柯溢能卢绍庆
【『钱江晚报小时新闻』解密催化反应黑匣子，浙大成果登《科学》，电镜下抓到两只“兔耳朵”】催化反应对于化学转化、化工制备有着重要意义 ， 大部分工业反应都是催化反应 ， 就连生物体内的新陈代谢、营养和能量转换也属于酶催化反应过程 。 尽管如此重要 ， 科学家们却还从来没有在原子尺度直接“看到”分子如何在催化剂表面发生反应 。
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因此 ， 打开这个催化反应“黑匣子” ， 是科学界一直以来的梦想 。 经过3年多的研究 ， 浙江大学电镜中心联合中国科学院上海应用物理研究所、上海高等研究院和丹麦技术大学 ， 在环境透射电子显微镜中 ， 首次在原子尺度观察到催化剂活性位点上水分子的吸附活化和反应 。 这对于揭示催化机理、进而设计更好的催化剂有着重要意义 。
这项研究北京时间1月24日 ， 被国际顶级期刊《科学》在线刊登 。 论文的第一单位为浙江大学 ， 浙江大学材料学院袁文涛博士为第一作者 ， 中国科学院上海应用物理研究所朱倍恩博士（现任职于中国科学院上海高等研究院）、博士生李小艳为共同第一作者；浙江大学材料科学与工程学院、浙大电镜中心张泽院士 ， 王勇教授为通讯作者 ， 中国科学院上海应用物理研究所高嶷研究员（现任职于中国科学院上海高等研究院）、丹麦技术大学Wagner教授为共同通讯作者 。
电镜下抓到两只“兔耳朵”
为什么催化反应如此神秘 ， 科学界努力这么久也没有直接看到过催化反应中的气体分子？主要是因为在电子显微镜中气体分子的衬度太弱了 ， 张泽打了一个简单的比方 ， 就像空气中微小的尘埃 ， 因为其衬度低（散射光弱） ， 在空气中的对比度不强 ， 导致人眼很难辨识 。
那么如何才能看到反应中的分子呢？有一天 ， 王勇和张泽院士在办公室讨论这个问题的时候 ， 正好一缕阳光射进窗户 ， 原来看不见的尘埃立马显现出来 。 他们立即意识到 ， 要想看到反应中衬度微弱的气体分子 ， 就必须得先找到那缕神奇的“阳光” 。
为此 ， 他们选择了被广泛研究了的、对环境无毒无害的二氧化钛(TiO2)作为催化剂与水的反应 。 其原因有二 ， 一是因为水是万物之源 ， 几乎所有的催化反应都有着水的参与 ， 科学界研究催化反应一般都是从水分子的环节入手 。 二是在加入张泽院士团队前 ， 王勇从2009年就开展了二氧化钛特定晶面的研究 ， 对二氧化钛比较熟悉 。
对于二氧化钛晶面的研究 ， 其实王勇并不是最早的 。 2008年就有科学家制备出了具有(001)表面暴露的锐钛矿TiO2纳米晶 ， 但关于其表面的结构一直有很大争议 ， 很大原因就是核心机理没有研究清楚 ， 张泽说：“这就好比是“盲人摸象” ， 知其然而不知其所以然 。 而要研究透彻的前提条件就是看清原子结构 。 ”
原先偏重于物理方向的王勇对于二氧化钛表面化学反应的研究可以说是从零起步 ， 但是张泽院士非常支持年轻人 ， 尽管科研压力非常大 ， 他仍然鼓励王勇要甘坐冷板凳 。 正是因为与二氧化钛长期打交道 ， 所以王勇对其“结构特质”了如指掌 。
二氧化钛(001)表面有一个特殊的重构结构 ， 每隔四个原子会有一列凸起 。 王勇意识到 ， 如果水分子全部吸附在这列凸起上 ， 沿着这列凸起方向投影就应该能获得足够衬度的电子显微镜照片 ， 从而可能看到水分子构型 ， 这列凸起原来就是他们一直在寻找的那缕“阳光” 。 果然 ， 按照这个设想去设计实验 ， 团队首次直接观察到了水分子的解离吸附：实验中水分子进入体系后 ， 解离为羟基和氢离子并与表面作用形成两个羟基和水分子的复合结构附着在这些凸起上 ， 从投影面看过去就像是长出了两只“兔耳朵” 。
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