美国实验室华人出手！催化反应“黑匣子”被撬开

摘要：电催化转化不仅需要电能，更需要可靠的“中介物”来触发目标化学反应。表面金属-氢中间体（surface metal-hydride intermediates）被认为能高效生成高附加值化学品并实现能量转换，但由于其浓度极低且寿命极其短暂，要在纳米尺度上对其进行表

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电催化转化不仅需要电能，更需要可靠的“中介物”来触发目标化学反应。表面金属-氢中间体（surface metal-hydride intermediates）被认为能高效生成高附加值化学品并实现能量转换，但由于其浓度极低且寿命极其短暂，要在纳米尺度上对其进行表征或深入研究极为困难。

如今，美国康奈尔大学（Cornell University）的研究团队运用一种单分子超分辨率反应成像技术，首次清晰揭示了表面金属-氢中间体的反应机制与空间分布。这些发现有望推动氢能生产以及水体污染物净化技术的发展。

该研究成果发表于英国《自然·催化》（Nature Catalysis）期刊，论文第一作者为前博士后研究员李文杰。该项目由康奈尔大学文理学院化学系彼得·J·W·德拜（Peter J.W. Debye）讲席教授陈鹏主导。

为解析这些中间体的行为，研究团队选取了钯-氢（palladium-hydride）体系作为模型系统。成像过程涉及引入一种探针分子，该分子能定位单个钯纳米立方体，并与其表面的钯-氢中间体发生反应，最终生成一种具有荧光特性的新分子。

“这种荧光使我们能够在单分子层面进行成像，从而观察到每一个探针反应的产物。我们不仅能实现单分子级别的观测，还能以纳米级的空间精度定位它们的位置。”陈鹏解释道。

成像结果揭示了单个钯颗粒具有多样化的加氢行为和特性。此外，团队还发现，即便是同一个颗粒，其不同位点也可以形成不同的中间体，从而呈现出差异化的行为。

“另一项重要发现是：当氢化中间体在钯催化剂上形成后，钯表面的氢原子并非静止不动。”陈鹏教授解释道，“这些氢原子不仅能在钯颗粒表面移动，还能迁移至周围的电极表面。”

这种“氢溢出”（hydrogen spillover）现象虽然早已为人所知，但此前研究者从未能将其扩散的距离实现可视化。通过探针分子，该团队成功测量了溢出距离并绘制了分布图，发现其延伸范围可达数百纳米之外。

传统上，学者们在研究金属-氢中间体时，通常采用“集合平均法”（ensemble-averaging methods），即通过整体测量来了解中间体的形成情况。研究人员通过高斯展宽动力学分析法（kinetics with Gaussian broadening）发现，这些传统方法虽然具有实用性，却存在固有缺陷——它们会显著高估中间体的稳定性，并且常常掩盖粒子之间与位点之间的差异。

“我们的测量能区分不同的粒子，还能估算同一粒子上不同位点间的差异。”陈鹏教授表示，“如今凭借这项能力，我们能更可靠地确定导致钯-氢中间体形成的还原电位。”

该团队方法的普适性，有望推动对多种电化学中间体的探究，尤其在利用电催化实现氢气制备，以及净化含有氯化合物等污染物的水环境方面，具有重要价值。