近日，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員劉偉團隊與大連交通大學講師劉淑慧、中國石油天然氣集團有限公司石油化工研究院工程師徐華的聯合研究取得新進展，聯合團隊開發了一種基于電鏡 HAADF 圖像的原子識别統計（EMARS）新方法。該方法能夠精準統計 18000 個鉑（Pt）原子分散态，量化解析了 Pt 單原子、團簇等不同物種在三氧化二鋁負載鉑（Pt/Al2O3）催化劑工業重整催化中的活性貢獻，爲理解石油化工中石腦油重整制芳烴的活性來源、催化劑優化提供了新思路。相關研究成果發表于《美國化學會志》。
氧化物負載金屬催化劑的原子密度、間距和配位環境影響着催化活性、選擇性和穩定性。傳統宏觀測量的譜學手段，如化學吸附、氫氧滴定、X 射線吸收譜等，隻能對催化劑粉體樣品進行整體分析，得出平均化的原子分散度，難以區分微觀上不同金屬物種的單獨活性貢獻。
近年來，透射電鏡發展迅速，HAADF 技術可以實現原子直接成像。但由于催化性能是微觀活性中心推動反應分子轉變的整體宏觀度量，僅靠幾張 HAADF 圖像進行表象分析和手工測量統計，難以客觀、準确地體現催化劑的微觀原子分散差異，也就無法找到宏觀的催化活性對應的原子結構起因。
爲解決上述電鏡分析手段存在的統計性不足的短版，研究團隊開發出 EMARS，通過獲取圖像中的金屬原子坐标，以高通量、自動化地逐一原子計數方式精确計算分散性。首次對 Pt/Al2O3 重整催化劑實現了 18000 個 Pt 原子統計，獲得在 23 皮米到 60 埃範圍内的 Pt 原子間距離分布以及全部 Pt 團簇所含原子數。在真實空間中以原子精度重新定義了負載型催化劑的金屬分散性。量化證據表明，石腦油重整的芳烴轉化活性來自載體上的 Pt 單原子，原子密度與活性定量相關；Pt 團簇不直接貢獻活性，但可在氧化氣氛下動态分散爲 Pt 單原子來補充活性位點。相比而言，傳統氫氧滴定方法容易高估金屬分散性，導緻嚴重偏離實際催化活性。
劉偉表示，團隊開發 EMARS 更廣泛意義在于，找到了對多金屬物種混合的一般性催化劑普适的高精度催化活性溯源方法。
審稿人認爲，該研究最顯著的特色在于借助電鏡圖像識别出真實工業催化劑中數萬量級的原子，實現宏觀催化活性的原子尺度活性溯源。
據悉，團隊正基于電鏡微反應池的時間延遲校正技術開發新型電鏡方法，以期在電鏡中同時表征原子結構并評價催化活性，實現催化活性溯源的一站式解決方案。
相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.1c06381
