Forskere genberegner den optimale bindingsenergi til heterogen katalyse

Bestemmelse af de optimale bindingsenergier for heterogene kemiske reaktioner - normalt hvilket betyder, at reaktanten er i gas- eller flydende fase, mens katalysatoren er et fast stof - er kritisk for mange aspekter af det moderne samfund, da vi er afhængige af sådanne reaktioner for så forskellige processer som produktion af gødning og plast. Der er en optimal bindingsenergi - dvs. graden af ​​interaktion mellem reaktanterne og katalysatoren - hvor processen er mest effektiv (hvis den er for lav, reaktanterne vil ikke reagere med katalysatoren, og hvis det er for højt, vil de forblive bundet til det), og katalysatorer er designet ud fra dette.

Nu, i en opdagelse, der kunne føre til udviklingen af ​​nye katalysatorer, der ikke er afhængige af dyre sjældne metaller, forskere fra RIKEN Center for Bæredygtig Ressourcevidenskab har vist, at den optimale bindingsenergi kan afvige fra traditionelle beregninger, som er baseret på ligevægtstermodynamik, ved høje reaktionshastigheder. Det betyder, at det kan være nødvendigt at genoverveje designet af katalysatorer ved hjælp af de nye beregninger for at opnå de bedste hastigheder.

Heterogene kemiske reaktioner anvendes i mange industrielle processer. Nogle af de mest kendte er produktionen af ​​ammoniak via Haber-Bosch-processen, produktion af plast ved hjælp af Ziegler-Natta-reaktionen, og afsvovling af olie. I 1911, den franske kemiker Paul Sabatier foreslog, baseret på eksperimenter, at der er en optimal bindingsenergi, som gør det muligt at maksimere den katalytiske aktivitet. For nylig, fremskridt inden for beregningskemi har givet en ramme til at beregne den optimale bindingsenergi, baseret på ligevægtstermodynamik og antager, at processen vil forløbe gnidningsløst, hvis alle trin i processen er termodynamisk gunstige. Her, katalysatorens rolle er at forbedre termodynamikken i det mest ugunstige trin. Fangsten er, at "optimum" normalt forstås som, at reaktionen kræver så lidt drivkraft som muligt, så det er termodynamisk effektivt, men i den virkelige verden er det ofte mere praktisk at have en højere katalyseringshastighed, selvom en større drivkraft er nødvendig.

Teamet udførte et nyt sæt beregninger, baseret på reaktionskinetisk modellering, der tager højde for denne uoverensstemmelse, og beregnet nye optimale bindingsenergier til hydrogenoxidation, som anvender heterogen katalyse, fandt ud af, at beregningerne gav forskellige værdier ved høje reaktionshastigheder. "Vi var glade for at se, " siger Hideshi Ooka, undersøgelsens første forfatter, "at vores beregninger forudsiger nye strategier for katalysatordesign, som ikke kunne være opnået ved brug af den traditionelle, termodynamisk tilgang."

Ifølge Ryuhei Nakamura, leder af Center for Bæredygtige Ressourcer Centers Biofunctional Catalyst Research Team, "Baseret på dette fund, vi planlægger at lede efter nye katalysatorer, ved brug af elementer som kobber eller nikkel, der kan skubbe heterogene katalytiske reaktioner fremad, men er billigere og mere miljøvenlige end de nuværende, som ofte kræver ædle metaller som platin og palladium. "

Han fortsætter, "Følgelig, forskning for at finde nye katalysatorer ved hjælp af vores metode kan bidrage til at nå tre af FN's mål for bæredygtig udvikling:Mål 7 (overkommelig og ren energi), Mål 12 (ansvarlig produktion og forbrug), og mål 13 (klimaindsats). "

Undersøgelsen er offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry Letters .