解密“催化黑匣子”

陳思

神通廣大的催化作用

人類的生產(chǎn)、生活都離不開(kāi)化學(xué)，它關(guān)乎健康、環(huán)境、能源等各個(gè)領(lǐng)域。我們現(xiàn)在穿的衣服、吃的食物、各種生活用品，很多都是由化學(xué)工業(yè)提供的。實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的控制，是化學(xué)科學(xué)研究的關(guān)鍵。要讓化學(xué)反應(yīng)更精準(zhǔn)、更可控，就需要催化技術(shù)來(lái)助陣了。

催化作用，是由于催化劑的介入而加速或減緩化學(xué)反應(yīng)速率的現(xiàn)象，是自然界中普遍存在的現(xiàn)象。催化作用神通廣大，幾乎遍及化學(xué)反應(yīng)的整個(gè)領(lǐng)域。要想真正理解它，我們要先了解化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)名詞——能壘。

能壘的存在是非常必要的，我們可以試想，如果沒(méi)有能壘的存在，任何兩個(gè)物質(zhì)相遇，都能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，那么我們的生活就真的“大爆炸”了！

但是能壘太高會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行，或者反應(yīng)速度極慢。真的遇到能壘過(guò)高的情況怎么辦呢？這就是催化劑“大展拳腳”的時(shí)候了。

催化劑也會(huì)遇困境

催化作用是通過(guò)催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。催化劑表面積越大，表面上活化中心點(diǎn)越多，催化劑的催化活性就越高。就和我們?cè)跓跞獾臅r(shí)候，要把肉切成小塊，而不是整塊放到鍋里是同樣的道理。其實(shí)就是為了增加肉和醬汁的接觸面積，讓醬汁的味道能夠從更多地接觸面浸入肉的組織中，讓肉的味道更香。

但是催化劑在使用過(guò)程中，往往會(huì)有所損耗，甚至聚集結(jié)塊，導(dǎo)致表面積嚴(yán)重縮小。這個(gè)難題，因“納米限域催化”的出現(xiàn)被成功解決。

用科學(xué)手段“約束”催化劑

怎樣理解“限域”呢？簡(jiǎn)單來(lái)講，限域是給催化反應(yīng)提供一個(gè)有約束的環(huán)境?？茖W(xué)家們?cè)谔技{米管中發(fā)現(xiàn)了狹義限域催化的現(xiàn)象。碳納米管空腔極為狹小，大概只有我們頭發(fā)直徑的六萬(wàn)分之一。將催化劑限制在碳納米管內(nèi)，可以使催化劑無(wú)法聚集結(jié)塊，保證催化劑的活性。而且，在這極其狹小的空間內(nèi)，催化劑也能顯示出獨(dú)特的催化特性。

通過(guò)“納米限域催化”，科學(xué)家可以控制反應(yīng)界面、氣氛和環(huán)境等，約束并穩(wěn)定催化的活性狀態(tài)。

如今，“納米限域催化”這種新的概念，已經(jīng)在國(guó)際學(xué)術(shù)界得到了普遍驗(yàn)證，相信在未來(lái)，它將推動(dòng)催化學(xué)科的發(fā)展，在更多領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。

（責(zé)任編輯/高琳 美術(shù)編輯/韋英章）

催化劑參與化學(xué)反應(yīng)示意圖

催化劑參與化學(xué)反應(yīng)示意圖