Flygtige overraskelser opstår ved fjernelse af overskydende brint

Overskydende brint kan forårsage problemer i en række forskellige industrier. Det kan tære halvledere, elektronik, og atombrændstof, der sidder på lager. Det udgør også en eksplosionsfare. For at fjerne dette ekstra brint, kemikere kan bruge en organisk forbindelse kaldet en hydrogen -getter, der kemisk binder til flere hydrogenatomer.

Men nogle gange, under denne bindingsproces - kaldet katalytisk hydrogenering - bliver de delvist hydrogenerede produkter flygtige, smelter og fordamper væk, før de kan binde sig til flere brintatomer. Nu, forskere har undersøgt, hvordan og hvorfor denne flygtighed varierer under hydrogenering, hvilket tyder på, at en tidligere undervurderet effekt fra kulstof-hydrogenbindinger i molekylet er den største synder.

Den nye analyse, udgivet i The Journal of Chemical Physics , kan hjælpe kemikere med at identificere de ideelle betingelser, der er nødvendige for katalytisk hydrogenering, så de bedre kan fjerne overskydende brint.

"Dette skaber en model for andre organiske getters adfærd, giver os mulighed for at forudsige deres optimale driftstemperaturer og miljøer, "sagde Long Dinh, en fysiker ved Lawrence Livermore National Laboratory.

Dinh og hans kolleger fokuserede på en getter kaldet 1, 4 bis (phenylethynyl) benzen, eller DEB. For at fjerne brint, krystalflager af DEB blandes med katalysatorer i form af faste pellets. Pellets er fremstillet af aktivt kul - hvis porøse struktur giver rigeligt overfladeareal - belagt med palladium -nanopartikler. Palladiumkatalysatoren opdeler brintmolekyler i hydrogenatomer, som derefter kan binde til DEB og danne carbon-hydrogenbindinger.

DEB er en højkapacitets getter, i stand til at binde med op til otte hydrogenatomer. De fleste forskere troede, at efterhånden som getters som DEB binder med flere brintatomer og forstørrer, de bliver mere flygtige. Ved høje driftstemperaturer, de kan derefter fordampe væk, driver langt fra de katalytiske pellets, hvor der ikke er nogen hydrogenatomer at binde med. "Du stopper hydrogeneringsprocessen for tidligt, "Sagde Dinh.

Men forskerne fandt ud af, at i de to første trin af hydrogenering, når DEB danner to carbon-hydrogenbindinger pr. trin (carbon-hydrogen-bindingerne dannes på modsatte sider af molekylets carbonkæde), molekylet falder faktisk i flygtighed. Kun i efterfølgende hydrogeneringstrin bliver DEB mere flygtig.

For at undersøge, hvordan og hvorfor DEB ændrer sig i volatilitet, forskerne målte egenskaber som damptryk og smeltepunkter, sonderet molekylær struktur, og kørte kvantemekaniske computersimuleringer for at modellere hydrogeneringsprocessen. Deres analyse tyder på, at carbon-hydrogenbindinger i DEB spiller en nøglerolle i molekylets flygtige adfærd.

Under hydrogenering, brint binder til carbonatomer i DEB. Ifølge konventionel tankegang, den resulterende carbon-hydrogenbinding er upolær-ingen ende af vægtstangstrukturen er mere negativt eller positivt ladet end den anden. Men det viser sig, at kulstofenden er lidt mere negativ, og carbon-hydrogenbindingen danner en svag dipol, Forklarede Dinh.

Som dipol, en carbon-hydrogenbinding kan tiltrække eller afvise andre carbon-hydrogenbindinger i andre DEB-molekyler. Afhængigt af hvordan carbon-hydrogenbindinger er arrangeret, og hvor mange der er i de mellemliggende DEB-produkter, molekylerne kan enten tiltrække eller frastøde hinanden, og dermed være mindre eller mere flygtig, henholdsvis. Tidligere forskning havde overset disse kollektive interaktioner mellem carbon-hydrogenbindinger i organiske krystaller, Sagde Dinh.

Fra deres analyse, forskerne fastslog, at de optimale betingelser for DEB -hydrogenering er under omkring 175 grader Fahrenheit, hvis det gøres i et godt vakuum. "Vores resultater, "Dinh sagde, "kan også anvendes analogt til andre katalytiske organiske brintfanger -systemer."