原子力显微镜案例分享 | 揭秘甲醇催化过程

来自英国的研究人员利用原子力显微镜可以进行原位成像以及其单分子级别分辨率的特性对催化过程进行了研究。他们成功地观察到了HOPG表面甲醇-水结构的自发形成，并发现了这一过程的催化率可以被电场所增强。

甲醇是一种很有前景的清洁能源，具有突出的存储和运输优势。它的制备可以由挥发性有机物和水的催化作用得到。然而我们仍然需要在分子级别上对这一催化过程有更详细地了解才可以进一步地优化当前的生产方法，甚至开发出一些更简单、更安全的方法。

来自英国杜伦大学(Durham University)的研究团队通过牛津仪器原子力显微镜对样品的晶格结构进行成像，并结合核磁共振(NMR)技术在这一热点问题上取得了重大进展。他们发现当高定向热解石墨(HOPG)浸没在超纯水中时，它在室温下就可以自发地催化甲醇。

上图展现了甲醇-水的界面结构（图中白色虚线区域）包含了一排排的纳米级周期性结构。这种纳米结构会在具有催化活性的表面，如原子台阶边缘（下图中红色虚线）处形成。在实验过程中，科研人员还发现即使是经由微小的AFM探针引发的电场也可以起到显著增强这一反应催化率的作用。

上述各项研究发现十分有助于我们进一步研发新的有机催化剂以及新型碳基纳米器件。

Instrument used

Cypher ES

Techniques used

文中的原位AFM实验是由牛津仪器高分辨率原子显微镜Cypher ES在轻敲模式下实现的。Cypher ES还具有精准的环境控制功能，使得研究人员可以在恒温下(40°C)对处于液相环境中的样品进行高分辨成像。牛津仪器独特的光热激发技术(blueDrive)保证了对分子级结构成像的稳定性。科研人员通过对得到的高分辨图像进行分析，准确地测得图一中的周期性结构排与排的间隔为2.45 ± 0.08 nm（白色箭头）；而位于同一排上的重复性结构周期为0.79 ± 0.08 nm（红色箭头）

参考文献: W. Foster, J. Aguilar, H. Kusumaatmaja, and K. Voϊtchovsky, In situ molecular-level observation of methanol catalysis at the water–graphite interface. ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 34265 (2018). https://doi.org/10.1021/acsami.8b12113

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