模拟显示为什么铂纳米颗粒在小尺寸下变得不太有效

铂纳米颗粒用于许多反应的催化，包括用于燃料电池的重要的析氢反应和用于将水分离成氧和氢的反应。实验证明，随着纳米粒子尺寸的减小，铂纳米粒子催化该反应的效率提高，直至其降至约3纳米以下。没有明确解释为什么在这种规模下催化活性降低。

AckSTAR高性能计算研究所的TeckLeongTan及其同事以及美国Ames实验室的合作者对进行氢析出反应的铂纳米粒子进行了第一性原理计算。基于这些计算，他们产生了在纳米颗粒上形成的中间化合物的图谱-在这种情况下是吸附的氢原子。他们还估算了每种催化活性物质对总体活动的贡献。

有效的催化剂不能太弱地与反应中间体结合，因为反应物不能与其表面结合。粘附力太强会导致反应产物难以从催化剂表面脱离。有效催化剂的结合能应该“恰到好处”，介于这两个极端之间。

研究人员发现，小铂纳米粒子上的边缘位置与氢原子结合得太强，并且在催化上变得无效，但是面部位点继续与具有适当能级的氢结合并保持催化活性。随着纳米颗粒尺寸的减小，边缘部位与面部位点的比例增加，这解释了观察到的小纳米颗粒的催化活性的下降。它还表明纳米粒子的形状可以定制，以优化纳米粒子的催化活性。

模拟结果预示着该技术的潜力。“实验主义者长期以来一直试图在反应过程中实时观察纳米催化剂的结构和吸附物的分布，”Tan解释道。“然而，这通常很难实现。我们的第一原理计算方法提供了具有吸附物覆盖的催化剂结构的精确模型，因此研究人员可以看到反应过程中催化剂的情况。”

该计算方法可应用于除铂以外的纳米级催化剂，该团队热衷于探索其预测其他元素纳米粒子性能的潜力。

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