数纳米外的原子也会影响化学键……发现催化剂设计新原理[读懂科学]
基础科学研究院与德国马克斯·普朗克多学科科学研究所联合研究……精确测量铂表面分子结合强度
发现最大相差0.2电子伏特……提出解释长程电子相互作用的新模型
研究发现，附着在金属表面的分子，其结合强度会因数纳米（nm，即10亿分之1米）外的原子结构不同而发生变化。此前，人们主要通过分子直接接触的周围原子之间的相互作用来解释化学键，但研究表明，范围远超这一局部区域的电子特性也可能产生影响。这有望为理解金属催化剂的工作原理、预测其性能提供新的线索。
韩国科学技术信息通信部30日表示，基础科学研究院（IBS）量子纳米科学研究团与德国马克斯·普朗克多学科科学研究所组成的联合研究团队，查明了金属催化剂表面远处的原子结构会影响分子与金属之间的结合强度。研究成果于当天刊登在国际学术期刊《科学》（Science）上。
示意图展示了分子与金属表面结合时，电子响应如何超出结合点周围并沿表面扩散。图中显示，金属的电子海会对分子的存在作出响应，结合的影响可能扩展至更广阔的区域。研究团队供图
View original image金属催化剂能够加快化学反应，被广泛应用于包括生产化肥原料氨在内的多个行业。催化反应始于分子附着在金属表面的过程，而结合强度会决定后续化学反应能否顺利进行。
长期以来，人们主要通过分子与金属之间直接接触的原子相互作用来解释两者之间的结合。虽然人们也知道远处的原子结构会产生影响，但普遍认为这种影响不足以改变实际化学键的强度。
改变原子台阶间距后，结合强度随之变化
研究团队利用原子呈台阶状排列的铂表面，对这一传统认知进行了验证。他们制备了原子台阶间距各不相同的铂表面，并比较了氨（NH₃）、一氧化碳（CO）和一氧化氮（NO）分子与金属结合的强度。
结果发现，即使分子附着位置的原子结构相似，结合强度也会随其与相邻台阶之间的距离而变化。结合能差异最高约为0.2电子伏特（eV），而远距离影响显现的特征距离则因分子种类不同，约为4至7纳米。这相当于数十个原子并排排列的距离。
研究团队解释称，这一现象是由广泛分布在金属内部的电子相互作用所致。分子附着在金属表面后，其电子会与金属内部的电子发生相互作用，因此也会受到远处原子结构的影响。
为解释不同分子受到的远距离影响为何各不相同，研究团队还提出了“前线轨道—能带模型”（Frontier Orbital-Band Model）。该模型结合了化学中用于描述分子电子状态的“分子轨道”概念，以及物理学中用于描述金属内部电子能量状态的“能带”概念。
马克斯·普朗克多学科科学研究所研究员Florian Nitz表示：“要正确理解表面化学，必须将以分子为中心的化学视角，与研究金属电子特性的物理学视角结合起来。”他还表示：“这项成果是结合马克斯·普朗克研究人员的金属表面精密测量技术，以及基础科学研究院研究人员的固体物理学分析而取得的。”
这项研究的意义不在于直接提升了催化剂性能，而在于提出了能够更准确解释催化剂表面化学键的基础原理。未来，该成果有望用于开发同时考虑催化剂原子结构和电子特性的计算模型。
基础科学研究院量子纳米科学研究团组长Dmitry Borodin表示：“过去，催化剂开发一直依赖长期实验和反复试错，如今正逐步转向依据化学反应原理预测并设计所需特性的方向。”他还表示：“我们期待这项研究能够深化人们对化学键的理解，助力实现更精确的计算和更高效的催化剂设计。”
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