观看原子移动：首个催化作用视频

摘要：该团队利用一种新型电子显微镜实时观察了催化剂从醇分子中剥离氢原子的过程。得益于这种前所未有的原子级催化视角，这一发现或将彻底改变我们设计更环保、更高效的化学工艺的方式。

科学家首次拍摄到化学反应过程中原子运动的视频，揭示了以前无法观察到的隐藏路径和短寿命分子。

该团队利用一种新型电子显微镜实时观察了催化剂从醇分子中剥离氢原子的过程。得益于这种前所未有的原子级催化视角，这一发现或将彻底改变我们设计更环保、更高效的化学工艺的方式。

催化作用初探

由西北大学领导的国际团队首次直接观察到原子水平上发生的催化反应。

研究人员利用先进的成像技术，捕捉到了令人着迷的实时视频，展示了在醇分子中去除氢原子的化学反应过程中单个原子的运动。这些记录揭示了短暂存在的中间分子，并揭示了一条此前未知的反应途径。

这一突破得益于一项名为单分子原子分辨率时间分辨电子显微镜（SMART-EM）的尖端技术。这种方法使科学家能够观察到单个分子在反应过程中的反应。

通过观察催化过程中原子的行为，研究人员能够更深入地理解催化剂的工作原理。这些见解将有助于未来设计

出更清洁、更高效的化学工艺。

该研究结果将于4月11日发表在《化学》杂志上。

为什么理解催化剂很重要

“通过可视化这个过程并追踪反应机制，我们能够精确地了解正在发生的一切，”西北大学的Yosi Kratish说道，他是这项研究的第一作者兼共同通讯作者。“过去，我们无法看到原子是如何运动的。现在我们可以了。当我意识到我们取得的成果时，我不得不关上笔记本电脑，休息几个小时。以前在催化领域还没有人这样做过，所以我非常震惊。”

“催化剂使现代生活成为可能，”该研究的资深作者、西北大学的托宾·J·马克斯说道。“它们被用于制造从燃料、肥料到塑料和药品的各种产品。为了使化学过程更加高效和环保，我们需要在原子层面上准确理解催化剂的作用机制。我们的研究朝着实现这一目标迈出了重要一步。”

突破背后的科学家

Marks是世界知名的催化专家，现任西北大学温伯格文理学院Charles E. and Emma H. Morrison化学教授和Vladimir N. Ipatieff催化化学教授，以及西北大学麦考密克工程学院化学与生物工程教授。Kratish是Marks团队的化学研究助理教授。Marks和Kratish与麦考密克工程学院材料科学与工程教授Michael Bedzyk、温伯格文

理学院Charles E. and Emma H. Morrison化学教授George C. Schatz，以及发明SMART-EM的东京大学教授Eiichi Nakamura和助理教授Takayki Nakamuro共同领导了这项研究。

利用“电影化学”捕捉转瞬即逝的分子

长期以来，研究人员一直致力于在原子层面观察实时催化事件。化学反应就像是从起始原料到最终产物的一段旅程。在此旅程中，会形成一些瞬时（有时是意料之外的）分子，然后突然转变为其他分子。由于这些所谓的“中间”分子难以预测且转瞬即逝，因此很难被检测到。

然而，通过直接观察反应的展开，科学家可以确定事件的确切顺序，从而揭示完整的反应路径，并观察那些难以捉摸的中间体。但直到最近，这些隐蔽的动态过程才得以观测。虽然传统的电子显微镜可以对原子进行成像，但它们的电子束太强，无法对催化过程中使用的柔软有机物进行成像。高能电子很容易分解碳基结构，在科学家收集数据之前就将其摧毁。

Kratish 表示：“大多数传统透射电子显微镜技术的操作条件很容易损坏有机分子。这使得使用传统 TEM 方法直接观察反应过程中敏感的催化剂或有机物变得极具挑战性。”

观察反应的新方法

为了克服这一挑战，团队采用了 SMART-EM 技术，这是一种能够捕捉精细有机分子图像的新技术。SMART-EM 由 Nakamura 及其团队于 2018 年推出，它使用的电子剂量要低得多，从而最大限度地减少了转移到样品上的能量和损伤。通过捕捉快速序列图像，SMART-EM 可以生成动态过程的视频，Nakamura 称之为“电影化学”。

中村在2019年的一份声明中表示： “自2007年以来，物理学家们终于实现了一个200多年的梦想——能够看到单个原子。但这并没有结束。我们的研究小组已经超越了这个梦想，制作了分子视频，以前所未有的细节观察化学反应。”

设计更清洁的实验

当 SMART-EM 首次应用于催化反应时，西北大学的研究团队选择了一种简单的化学反应：从醇分子中去除氢原子。但首先他们需要选择合适的催化剂。大约 85% 的工业催化剂是非均相的，这意味着它们是与液体和气体发生反应的固体材料。虽然非均相催化剂稳定高效，但它们也很复杂，有许多不同的表面位点可能发生反应。

放大一个活跃站点

“非均相催化剂有很多优点，”克拉蒂什说。“但也有一个很大的缺点：在很多情况下，它们就像一个黑匣子。它们有多少个反应位点是未知的。因此，我们并不完全了解反应发生的地点和方式。这意味着我们无法确切地确

定催化剂的哪个部分最有效。”

为了使催化剂更易于研究，西北大学的研究小组设计了一种具有明确活性位点的单点异质催化剂。该单点催化剂由固定在锥形碳纳米管上的氧化钼颗粒组成。随后，该团队利用SMART-EM技术研究了该催化剂如何促进乙醇转化为氢气——一种清洁的化石燃料替代品。

“只有一个站点就方便多了，”克拉蒂什说。“我们可以选择一个好的站点进行监控，然后进行深入分析。”

揭示反应中隐藏的步骤

在这项研究之前，科学家们假设酒精会直接进入催化剂，在那里变成氢气和醛（酒精分子氧化时产生的分子）。醛在室温下呈气态，然后逸出到空气中。但观察这一过程揭示了一个截然不同的故事。

利用SMART-EM技术，研究人员发现醛不会飘走，而是粘附在催化剂上。他们还发现醛彼此连接形成短链聚合物——这是一个此前未知的步骤，似乎驱动了整个反应。更令人惊喜的是，研究人员发现醛还会与醇反应生成半缩醛，这是一种中间体分子，随后被转化为其他产物。

确认意外的化学反应

为了证实这些发现，研究小组使用了各种显微镜技术、X射线分析、理论模型和计算机模拟。所有这些都与SMART-EM数据相符。

“这是一个重大突破，”克拉蒂什说。“SMART-EM 正在改变我们看待化学的方式。最终，我们希望分离这些中间体，控制我们输入系统的能量，并研究活性有机催化转化的动力学。这将是非凡的。这仅仅是个开始。”

参考文献：“原子分辨率成像作为研究单位点异相催化的机械工具”2025 年 4 月 11 日，化学。