Katalysatorer är kemiska matchmakers:De för andra kemikalier nära varandra, öka chansen att de kommer att reagera med varandra och producera något som folk vill ha, som bränsle eller gödsel.

Eftersom några av de bästa katalysatormaterialen också är ganska dyra, som platina i en bils katalysator, forskare har letat efter sätt att minska mängden de måste använda.

Nu har forskare sin första direkta, detaljerad titt på hur en enda atom katalyserar en kemisk reaktion. Reaktionen är densamma som tar bort giftig kolmonoxid ur bilavgaserna, och individuella iridiumatomer gjorde jobbet upp till 25 gånger mer effektivt än de iridiumnanopartiklar som innehåller 50 till 100 atomer som används idag.

Forskargruppen, leds av Ayman M. Karim från Virginia Tech, redovisade resultaten i Naturkatalys .

"Dessa enatomskatalysatorer är väldigt hett ämne just nu, " sade Simon R. Bare, en medförfattare till studien och framstående personalforskare vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, där viktiga delar av arbetet ägde rum. "Detta ger oss en ny lins att titta på reaktioner genom, och nya insikter om hur de fungerar."

Karim lade till, "Så vitt vi vet, detta är det första dokumentet som identifierar den kemiska miljön som gör en enda atom katalytiskt aktiv, direkt avgöra hur aktiv den är jämfört med en nanopartikel, och visar att det finns mycket grundläggande skillnader – helt olika mekanismer – i hur de reagerar."

Är mindre verkligen bättre?

Katalysatorer är ryggraden i den kemiska industrin och väsentliga för oljeraffinering, där de hjälper till att bryta upp råolja till bensin och andra produkter. Dagens katalysatorer kommer ofta i form av nanopartiklar fästa på en yta som är porös som en svamp – så full av små hål att ett enda gram av den, utvikt, kan täcka en basketplan. Detta skapar ett enormt område där miljontals reaktioner kan ske samtidigt. När gas eller vätska strömmar över och genom den svampiga ytan, kemikalier fäster till nanopartiklarna, reagerar med varandra och flyter iväg. Varje katalysator är utformad för att främja en specifik reaktion om och om igen.

Men katalytiska reaktioner sker bara på ytorna av nanopartiklar, Bare sa, "och även om de är mycket små partiklar, den dyra metallen på insidan av nanopartikeln går till spillo."

Individuella atomer, å andra sidan, kan erbjuda den ultimata effektiviteten. Varje atom kan fungera som en katalysator, ta tag i kemiska reaktanter och hålla dem nära varandra tills de binder. Du kan få plats med många fler av dem i ett givet utrymme, och inte en fläck av ädelmetall skulle gå till spillo.

Enstaka atomer har en annan fördel:Till skillnad från kluster av atomer, som är bundna till varandra, enstaka atomer är bara bundna till ytan, så de har fler potentiella bindningsställen tillgängliga för att utföra kemiska knep – vilket i det här fallet var väldigt användbart.

Forskning om enatomskatalysatorer har exploderat under de senaste åren, Karim sa, men hittills har ingen kunnat studera hur de fungerar tillräckligt detaljerat för att se alla flyktiga mellansteg på vägen.

Får lite hjälp

För att få mer information, teamet tittade på en enkel reaktion där enstaka atomer av iridium delar syremolekyler i två, och syreatomerna reagerar sedan med kolmonoxid för att skapa koldioxid.

De använde fyra metoder – infraröd spektroskopi, elektronmikroskopi, teoretiska beräkningar och röntgenspektroskopi med strålar från SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) – för att attackera problemet från olika vinklar, och detta var avgörande för att få en helhetsbild.

"Det är aldrig bara en sak som ger dig det fullständiga svaret, "Sa Bare. "Det är alltid flera pusselbitar som går ihop."

Teamet upptäckte att varje iridiumatom gör, faktiskt, utföra ett kemiskt trick som förbättrar dess prestanda. Den tar upp en enda kolmonoxidmolekyl ur det passerande gasflödet och håller fast vid den, som en person som stoppar ett paket under armen. Bildandet av denna bindning utlöser små förändringar i konfigurationen av iridiumatomens elektroner som hjälper den att dela syre, så den kan reagera med den återstående kolmonoxidgasen och omvandla den till koldioxid mycket mer effektivt.

Fler frågor väntar:Kommer samma mekanism att fungera i andra katalytiska reaktioner, låta dem köras mer effektivt eller vid lägre temperaturer? Hur påverkar naturen hos enatomskatalysatorn och ytan den sitter på dess bindning med kolmonoxid och hur reaktionen fortskrider?

Teamet planerar att återvända till SSRL i januari för att fortsätta arbetet.