近常壓掃描隧道顯微鏡（NAP-STM）突破了傳統STM需在超高真空環境下工作的局限，可在接近工業反應的壓力（1-10 bar）與溫度條件下實現原子尺度成像，為催化領域從微觀機制到性能優化的研究提供了核心工具。其核心優勢在于原位捕捉催化劑表面結構演變、反應物種吸附與擴散及產物生成過程，助力破解催化反應的構效關系難題，在多相催化、涉氫反應、費托合成等領域展現出獨特應用價值。
在催化劑表面結構解析與構效關系研究中，NAP-STM可精準識別活性位點的原子排布，解決長期存在的結構爭議。上海科技大學楊帆課題組借助功能化STM針尖，實現了近常壓下銅表面氧化物薄膜的元素特異性成像，成功解析了困擾領域三十余年的“44”和“29”兩種銅氧化物結構，揭示了銅原子的有序空位分布與五角環網結構，為理解銅基催化劑的氧化機制及催化活性起源提供了直接依據。這種原子尺度的結構表征，可明確催化劑活性位點的真實形態，為設計高選擇性催化劑提供理論支撐。
在涉氫催化反應中，
近常壓掃描隧道顯微鏡可原位可視化氫物種的活化與溢流過程，揭示反應調控機制。中國科學院大連化物所團隊通過NAP-STM觀察到，在Pt(111)襯底構建的MnO(001)和Mn?O?(001)單層結構表面，氫物種呈現不同擴散特性：MnO(001)表面氫物種沿晶格條紋一維擴散，速率是Mn?O?(001)表面二維擴散的4倍。這一發現證實了氧化物表面晶格限域效應對氫溢流的調控作用，為通過表面結構設計提升涉氫反應效率提供了實驗依據。此外，NAP-STM還可捕捉ZnO表面氫氣異裂解離及CO/CO?加氫反應的原子尺度動態過程。
在費托合成等工業催化反應中，NAP-STM能夠實時追蹤反應中間體與產物的生成及吸附狀態。荷蘭萊頓大學團隊利用定制的ReactorSTM，在4 bar壓力、221℃條件下監測鈷基催化劑表面的費托合成過程，發現反應30分鐘后催化劑表面形成由線性碳氫化合物自組裝而成的規則條紋結構。通過表征確定條紋周期對應14±2個碳原子的分子鏈，首回在原子尺度觀察到反應產物在催化劑表面的聚集形態，揭示了產物分子的長度選擇機制，為優化費托合成產物分布提供了微觀視角。
在催化反應動力學研究中，NAP-STM可捕捉催化劑表面的動態演變的時間維度信息，關聯結構變化與催化性能。其能實時監測反應過程中催化劑活性位點的生成、消失及重構，如金屬顆粒的燒結、氧化物的相變等行為，并同步關聯反應速率變化。通過原位成像與質譜等技術聯用，可建立催化劑表面結構演變與產物分布的動態關聯，明確失活機制，為催化劑的穩定性優化與再生策略制定提供實驗數據。
近常壓掃描隧道顯微鏡通過原位、原子尺度的表征能力，在催化結構解析、反應過程可視化、動力學機制探索等方面發揮著不可替代的作用。其不僅補了超高真空表征與工業反應條件之間的空白，更推動催化研究從“黑箱式”推測走向“可視化”驗證，為設計高效、穩定的工業催化劑及優化反應工藝提供了核心技術支撐，成為催化領域基礎研究與應用開發的重要橋梁。
