現(xiàn)如今，催化反應機理研究是高水平論文必不可少的組成部分。大家已經不僅僅滿足于簡單的“構效關系”，還希望把連接“構”和“效”之間的黑盒子打開，理解導致這種“構效關系”的內在機制，也就是所謂的反應機理。近十年來，原位漫反射紅外光譜、原位拉曼光譜、近常壓X射線光電子能譜、原位X射線衍射譜、原位X射線吸收譜、原位穆斯堡爾譜、原位電鏡等原位表征技術得到了極大的發(fā)展，也越來越頻繁得出現(xiàn)在期刊論文上。研究人員無比青睞這種“所見即所得”的實驗研究技術。只要建立起完整的標準數(shù)據庫，無論是作者還是讀者都很方便、直觀得得到結論?，F(xiàn)在的各種技術在壓力、溫度、傳質、傳熱上無法完全復現(xiàn)真實的催化反應過程，導致很可能出現(xiàn)原位表征數(shù)據與實驗結論大相徑庭。此外，現(xiàn)在的研究者對機理的研究越來越多得依賴于原位表征這種“直接”“暴力”的手段。原位表征也逐漸成為了科研的研究“范式”。然而，早期科學家那種讓人“眼前一亮”的實驗設計卻越來越少。本文將列舉從早期到如今的經典文獻，學習一下科學家們巧妙的實驗設計思路，希望對讀者未來的催化機理研究有所啟發(fā)。

（一）費托合成反應機理研究

費托合成（FTS）反應機理多種多樣，最為廣泛接受的是如下三種機理（表1）。這三種機理是按照聚合的單體以及鏈起始物種進行的分類。如何驗證某個反應體系屬于哪一種機理呢？從原位表征的角度來看，最簡單的方式就說通過原位手段探測到亞甲基（CH₂）、羥基卡賓（CHOH）和非解離吸附的CO，從而判斷反應路徑。但在沒有這些表征手段的過去，科學家們卻通過巧妙的實驗驗證了這些機理。

Robert C. Brady III和R. Pettit教授通過CH₂N₂實驗證明了FTS走的是碳化物機理[1,2]。CH₂N₂是用來提供亞甲基單體。（1）當他們通CH₂N₂和N₂的混氣時，主產物是乙烯，并沒有得到FTS產物分布。這說明單獨的CH₂*無法碳鏈增長，只能雙聚，證明了CH₂無法做FTS的鏈初始物種。（2）當他們通CH₂N₂和合成氣的混氣時，產物可能存在三種情況。如果是CO插入機理，那么CH₂可以加氫成CH₃作為鏈初始物種，所以產物產量會增加，但碳鏈分布與只通合成氣時沒有改變。如果是烯醇機理，產物的碳鏈分布會符合CH₂+H₂和烯醇縮合兩個模型的疊加。如果是碳化物機理，CH₂可以作為碳鏈增長的單體，所以產物中碳鏈的長度會變長。他們的實驗發(fā)現(xiàn)是第三種情況，即碳化物機理。（3）當他們通同位素標記的混氣（¹²CH₂N₂+¹³CO+H₂），并檢測丙烯中C的標記情況時，產物可能存在以下幾種情況。如果是CO插入機理，那丙烯只可能存在兩種情況¹³C-¹³C-¹³C或¹²C-¹³C-¹³C，無論哪種情況，丙烯中¹³C都不少于60%。因此CO插入機理對應的實驗現(xiàn)象是無論加多少¹²CH₂N₂，丙烯中¹³C都不少于60%。如果是烯醇機理，那丙烯會是¹³C-¹³C-¹³C和¹²C-¹²C-¹²C的混合物。如果是碳化物機理，則各種組合都可能存在。后兩種機理的區(qū)別在于在通不同比例的¹²CH₂N₂和¹³CO情況下，兩種模型預測出的¹³C含量不同。最后實驗發(fā)現(xiàn)仍然是碳化物機理。

Ritschel和Vielstich教授用HCl溶解反應后的FTS催化劑，發(fā)現(xiàn)溶解過程中產生的氣相產物選擇性與FTS反應中類似，同樣證明了表面碳化物機理[3]。

Bell教授用環(huán)己烯和合成氣混氣作為反應物，在FTS條件下反應。產物中生成了降蒈烷（norcarane）和烷基環(huán)己烯。說明環(huán)己烯與表面生成的CH₂發(fā)生了反應，間接證明了碳化物機理[4]。

（二）判定表面、界面還是頂點是活性位點

在很多催化反應中，研究人員經常認為界面是活性位點，但證明方法大多是理論計算，很難給出直接的、實驗上的證據，這需要單顆粒的空間分辨率如單分子熒光顯微技術[5]。2013年，F(xiàn)ornasiero和Murray教授通過簡單得改變催化劑尺寸，通過對反應動力學的分析，證明了界面處是活性位點[6]。他們的思路很簡單。表面是二維的面、界面是一維的線、頂點是零維的點。所以對于常規(guī)的多面體來說，單位體積內的表面位點數(shù)（~d²/d³）正比于d^-1，單位體積內的界面位點數(shù)（~d/d³）正比于d^-2，單位體積內的頂點數(shù)（~1/d³）正比于d^-3。由于不同尺寸的樣品形貌和晶格常數(shù)略有區(qū)別，研究人員給出了更精確的計算：單位體積內的表面位點數(shù)正比于d^-0.9，單位體積內的界面位點數(shù)正比于d^-1.9，單位體積內的頂點數(shù)正比于d^-2.6（圖1）。研究人員再把樣品的轉換頻率（TOF）畫在圖上，發(fā)現(xiàn)TOF與d^-2.3成正比，從而說明金屬與載體的界面是活性位點（圖1）。

圖1. 模型分析[6]。

（三）氫溢流

氫溢流是各種加氫反應中常常存在的實驗現(xiàn)象，指的是原本無法解離H₂的位點吸附了H，這個位點上的H就說從能夠解離H₂的位點溢流過來的。Sykes教授利用這種現(xiàn)象設計了一個很有意思的實驗[7]。他們把Pd單原子負載在Cu表面。這時候Pd能夠解離H₂，并且對CO具有很強的吸附能力；Cu表面無法解離H₂，只能吸附解離后的H原子，并且對CO吸附能力弱。由于反應的可逆性，H₂也只能在Pd表面脫附而無法在Cu表面脫附。他們先通H₂，H₂在Pd單原子上解離，并溢流到Cu表面；再通CO，這時候CO會吸附在Pd單原子上，將其毒化。當升溫時，只有CO脫附之后，才會開始脫附H₂。

圖2. 分子瓶塞效應。

科研探索本身應該是一個有趣的過程，特別是當你靈光一現(xiàn)，有了一個巧妙的實驗構思的時候。用催化實驗來探索反應機理，不僅能夠彌補那些寶貴的原位機時，還能讓你的研究更有藝術性。

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