Stogodišnja zagonetka katalize rešena merenjem delića elektrona

Istraživači su otkrili kako mali delovi elektrona pokreću katalitičke reakcije, što otvara put za energetske tehnologije i tehnologije proizvodnje nove generacije.

Naučnici sa Univerziteta Minesote su direktno izmerili sićušno elektronsko deljenje koje čini da katalizatori putem plemenitih metala budu tako efikasni. Njihova nova tehnika otkriva kako se molekuli vezuju i reaguju na metalnim površinama sa dosad neviđenom jasnoćom. Ovi uvidi obećavaju brže otkrivanje naprednih katalizatora za energiju, hemikalije i proizvodnju.

Preporučujemo

Istraživači su uspešno identifikovali i izmerili delić elektrona uključen u katalitičku proizvodnju.

Njihovi nalazi objašnjavaju zašto se plemeniti metali kao što su zlato, srebro i platina ističu u katalitičkim procesima. Rezultati takođe ukazuju na nove mogućnosti za dizajn naprednih katalitičkih materijala.

Zašto katalizatori imaju značaj u savremenoj industriji

Industrijski katalizatori – supstance koje smanjuju količinu energije potrebnu za određenu hemijsku reakciju – pomažu proizvođačima da povećaju brzinu reakcije, prinos ili efikasnost prilikom proizvodnje ključnih materijala.

Oni igraju bitnu ulogu u oblastima kao što su farmaceutska industrija, baterije i petrohemijske operacije poput rafinisanja sirove nafte, omogućavajući proizvodnim sistemima da zadovolje globalnu potražnju.

Povećanje brzine, pouzdanosti i kontrole katalizatora postalo je glavni cilj za ogromne sektore goriva, hemikalija i materijala. Dok se ove industrije šire, trka u razvoju efikasnijih i jeftinijih katalitičkih sistema intenzivira se širom sveta.

Otkrivanje kako molekuli dele elektrone sa metalima

Kad molekuli naiđu na katalitičku površinu, dele deo svojih elektrona sa metalom (u ovom slučaju, zlatom, srebrom ili platinom). Ova interakcija privremeno stabilizuje molekule, omogućavajući da se reakcije nastave.

Naučnici su pretpostavljali ovo ponašanje više od 100 godina, ali maleni delovi elektrona koji su u to uključeni nikad nisu direktno izmereni.

Istraživači iz Centra za programabilnu energetsku katalizu, sa sedištem na Univerzitetu Minesote, sad su demonstrirali da se ovo deljenje elektrona može direktno izmeriti pomoću tehnike koju su razvili, nazvane izopotencijalna elektronska titracija (IET).

Jasniji pogled na ponašanje katalizatora

„Merenje delića elektrona u ovim izuzetno malim razmerama daje dosad najjasniji uvid u ponašanje molekula na katalizatorima“, kažu istraživači. „Istorijski gledano, inženjeri su se oslanjali na indirektnija merenja u idealizovanim uslovima radi razumevanja molekula na površinama. Umesto toga, ova nova metoda obezbeđuje konkretniji opis vezivanja u katalitički relevantnim uslovima“.

Znanje koliko tačno elektronskog prenosa se dešava na površini katalizatora je bitno za razumevanje koliko efikasan će biti učinak. Molekuli koji lakše dele svoje elektrone obično se snažnije vezuju i lakše reaguju. Plemeniti metali postižu idealan nivo deljenja elektrona potrebnog za pokretanje katalitičkih reakcija, ali tačan obim ovog deljenja nije dosad bio direktno izmeren.

Tehnika IET se sad može koristiti za direktno opisivanje i poređenje novih formulacija katalizatora, pomažući istraživačima da brzo identifikuju perspektivne materijale.

„IET nam je omogućio da izmerimo delić elektrona podeljen sa površinom katalizatora na nivoima manjim od jedan procenat, kao što je slučaj sa atomom vodonika na platini“, kažu istraživači. „Atom vodonika daje samo 0,2% elektrona kad se vezuje na platinskim katalizatorima, ali taj mali procenat omogućava da vodonik reaguje u industrijskoj hemijskoj proizvodnji“.

Povezivanje nanotehnologije, mašinskog učenja i katalize

Brzi razvoj tehnika nanotehnologije za stvaranje katalizatora, u kombinaciji sa instrumentima mašinskog učenja koji mogu pretraživati i analizirati ogromne skupove podataka, već je proširio katalog poznatih katalitičkih materijala.

IET predstavlja treći, komplementarni pristup, omogućavajući istraživačima da direktno ispitaju ponašanje katalizatora na fundamentalnom elektronskom nivou.

„Osnova za nove katalitičke tehnologije za industriju oduvek je bilo fundamentalno osnovno istraživanje“, kažu istraživači. „Ovo novo otkriće frakcione elektronske distribucije postavlja potpuno novu naučnu osnovu za razumevanje katalizatora koji bi trebalo da pokreću nove energetske tehnologije tokom narednih nekoliko decenija“.

Pod pokroviteljstvom Ministarstva energetike SAD, ovaj projekat se bavi razvojem katalitičkih tehnologija nove generacije u cilju proizvodnje materijala, hemikalija i goriva putem naprednih dinamičkih katalizatorskih sistema.

(Telegraf Nauka/Science Daily)