Låser op for mysteriet med katalysatorer

Katalyse er, ligesom mange videnskaber, situationsbestemt.

Denne kraftfulde kemi handler om at accelerere kemiske reaktioner, ved hjælp af katalysatorer til at "turbolade" processen og hurtigt skabe nye kemikalier og brændstoffer.

Fordi der er så mange variabler på spil – pres, lys, varme, tid, og tilstedeværelsen af ​​andre reaktive molekyler, for blot at nævne nogle få - forskere skal udøve utrætteligt, kortlægning af de specifikke forhold, der vil føre til de bedste resultater.

Forskere ved Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI), et multiinstitutionelt forskningscenter ledet af University of Delaware, arbejder på at løse disse udfordringer ved at foreslå mere effektive tilgange til katalysevidenskab. Sommetider, deres arbejde kan endda føre til helt at opdage nye katalysatorer.

Nylig forskning udført af CCEI, offentliggjort i det nyeste nummer af Naturkatalyse , har yderligere afsløret mysteriet om en klasse af materialer, der længe har været understuderet som katalysatorer:metaloxider. Ud over at drive mere overkommelig og stabil kemisk produktion, CCEIs undersøgelse af arten af ​​metaloxider kan potentielt føre til opdagelsen af ​​endnu bedre, mere selektive katalysatorer.

Videnskaben om katalyse, mens hjælpsom, er ikke ligefrem effektiv eller omkostningseffektiv. Ny, bedre katalysatorer som metaloxider kan hjælpe med at forbedre processen, hvilken, på tur, kan gøre det lettere for forskere at producere vedvarende dagligvarer, såsom smøremidler, brændstoffer, klæbemidler, sæbe, og mere.

"Tidligere man troede, at vi var nødt til at ty til dyre metaller som platin for at udføre afgørende opgaver som at spalte specifikke kemiske bindinger, " sagde Alexander Mironenko, medforfatter til undersøgelsen og en tidligere CCEI-forsker, som nu er postdoc ved University of Chicago. "Men udover deres høje omkostninger, disse typer metaller producerede uønskede biprodukter, reducere effektiviteten af ​​den samlede proces. I vores nuværende forskning, vi demonstrerer, at billigere og mere stabile metaloxider kan drive disse reaktioner, også."

Et oxid er defineret som et kemisk stof, der består af mindst et oxygenatom og et andet grundstof; sådanne forbindelser er rigelige i jordskorpen. Den relative stabilitet af mange metaloxider gør dem ideelle til brug i katalytiske reaktioner såsom C-O-bindingsaktivering, hvilket er et væsentligt skridt i at omdanne affald og lignocelluloseholdig biomasse (såsom træflis og græs) til nyttige brændstoffer og kemikalier.

Metaloxiders lave omkostninger kan også give økonomiske fordele. R&D Magazine anslår, at 90 % af kommercielle kemiske produkter er afhængige af katalyse til produktion, hvilket betyder billigere, mere stabile katalysatorer kan reducere produktionsomkostningerne.

"Vi har introduceret en måde at tænke på oxidkatalysatorer, som aldrig tidligere er blevet offentliggjort, " tilføjer tidligere CCEI postdoc Konstantinos Goulas, nu assisterende professor i kemiteknik ved Oregon State University. ”Det er utrolig spændende, da det har potentialet til at guide opdagelse i alle mulige katalytiske processer, fra industri til miljø. Vigtigt, computersimuleringer kan forudsige bedre katalysatorer og drive eksperimenter. Vores er den første systematiske undersøgelse, der introducerer hele denne klasse af materialer til en af ​​de hårdere kemier i bioraffinaderier."