Ученые впервые смогли измерить, какую именно долю электрона обменивают молекулы с металлом во время каталитической реакции. Это открытие объясняет, почему именно драгоценные металлы столь эффективны в катализе, и может стать основой для создания более дешевых катализаторов.

Светлана ЛевченкоАвтор новостей

Катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции и снижают энергию, необходимую для их проведения. Они критически важны для производства лекарств, батарей, топлива и множества других материалов. Без катализаторов современная промышленность просто не смогла бы удовлетворять глобальный спрос на химическую продукцию.

Ученые более ста лет предполагали, что когда молекулы встречаются с поверхностью катализатора, они обмениваются с металлом частью своих электронов. Эта временная связь стабилизирует молекулы и позволяет реакциям протекать эффективнее. Однако до сих пор никто не мог напрямую измерить крошечные доли электрона, которые молекулы делят с катализатором во время химической реакции.

Специалисты Центра программируемого энергетического катализа при Университете Миннесоты разработали новую технологию под названием изопотенциальное электронное титрование (IET), которая позволяет проводить такие измерения. «Измерение долей электрона в таких невероятно малых масштабах дает самое четкое представление о поведении молекул на катализаторах», — объясняет Джастин Хопкинс, аспирант и ведущий автор исследования. «Исторически инженеры-каталитики полагались на более косвенные измерения в идеализированных условиях. Наш метод дает осязаемое описание поверхностной связи в условиях, релевантных для катализа».

Исследование объясняет, почему драгоценные металлы — золото, серебро и платина — так эффективны в качестве катализаторов. Они достигают идеального уровня электронного обмена, необходимого для управления каталитическими реакциями. «IET позволил нам измерить долю электрона, которая делится с поверхностью катализатора, даже на уровне менее одного процента», — говорит Омар Абдельрахман, доцент Университета Хьюстона. «Атом водорода отдает только 0,2% электрона при связывании с платиновыми катализаторами, но именно этот малый процент делает возможной реакцию водорода в промышленном химическом производстве».

Новая техника может использоваться для прямого описания и сравнения новых формул катализаторов, помогая специалистам быстрее выявлять перспективные материалы. «Наше открытие создает совершенно новую научную основу для понимания катализаторов, которая, как мы полагаем, будет стимулировать развитие новых энергетических технологий в течение следующих нескольких десятилетий», — заключает Пол Дауэнхауэр, директор Центра программируемого энергетического катализа.

Ранее в России создали экологичные катализаторы для переработки фурфурола.

• Физика

Поделиться