过渡金属催化剂，如镍和钴，在工业上广泛用于从天然气中生产氢和其他有用的化合物。研究人员通过蒸汽重整来实现这种转变，这是一种在催化剂的作用下用蒸汽加热甲烷的过程，从而产生氢气和一氧化碳。

过渡金属以其优越的催化能力而闻名，研究人员知道，最重要的反应发生在催化剂的表面。迄今为止，寻找更好的催化剂在很大程度上都是基于反复试验，并假设催化反应发生在金属晶体的台阶边缘和其他原子缺陷位置。

来自瑞士、荷兰和美国的一个国际研究小组将利用先进的红外技术和量子理论的实验结合起来，对甲烷的分解反应进行了详细的研究和探讨。他们的研究首次显示了催化剂表面上发生最重要反应的确切位置。研究人员把重点放在铂作为催化剂分解甲烷，但该模型也可应用于其他过渡金属催化剂，如镍。他们本周在化学物理学杂志上发表了他们的发现。

Rainer Beck教授说：“经过检验的具有化学准确性的预测理论可能会改变人们寻找新催化剂的方式，并使搜索更加有效和廉价。”

在原子尺度上，铂催化剂（以及其他金属晶体）的表面可以由台阶、台阶和其他缺陷组成，这些缺陷被视为催化过程中的重要“场所”。

研究小组使用红外激光泵浦，将甲烷分子激发到选定的转动和振动量子态。然后，研究人员使用反射吸收红外光谱仪（RAIRS）来检测甲烷在铂（211）晶体的不同位置的解离。RAIRS是一种非侵入性技术，使研究人员能够在沉积过程中实时监测铂表面的化学反应，方法是记录化学吸附甲基物种在台阶和阶地上的特定位置吸收曲线。基于这些测量，研究人员可以确定每个地点甲烷的反应水平。

研究人员还利用量子理论框架“反应路径哈密顿模型”来计算势能面，并探讨化学反应过程中的动力学行为。他们的发现表明，离解反应在台阶上比在梯田上更有效率两个数量级以上。此外，在台阶和平台之间的第三种类型的表面位置（称为“角原子”）上没有发生反应。

“我们证明了利用RAIRS检测甲烷反应性的状态和表面特异性测量是可能的，并比较了振动激发对催化剂表面台阶和平台反应性的影响，”贝克说。“这个新的研究领域为探测甲烷的分解产物提供了另一个层面的细节。”