Kemikere, der overraskende opdagede nanokonfinerede reaktioner, kunne hjælpe med katalytisk design

Georgia State University kemiforskere har afsløret et af mysterierne bag katalytiske reaktioner i mikroskopisk skala, giver mulighed for design af mere effektive industrielle processer.

Katalysatorer - som fremskynder kemiske reaktioner i alt fra fordøjelsen af ​​fødevarer til forbrændingsmotorer i køretøjer - er afgørende for at omdanne råmaterialer til nyttige produkter i industrier, herunder olie, plastik, papir, lægemidler og brygning. At forstå, hvordan reaktioner opstår, kan hjælpe forskerne med at udvikle bedre katalysatorer, der er mere energibesparende og miljømæssigt bæredygtige.

Forskerne etablerede en ny billeddannelsesstrategi, der kan spore enkeltmolekyler, når de ryster gennem bittesmå porer i skallerne på silica -kugler og overvåger den kemiske reaktionsdynamik på katalytiske centre i kernen, at producere de første kvantitative målinger af, hvordan indeslutning på en nanoskala faktisk fremskynder katalytiske reaktioner.

At forstå denne overraskende "nanoindeslutningseffekt" kan hjælpe med at guide præcisionsdesignet af mere effektive industrielle katalysatorer, der kan spare energi.

"Du vil lave et specifikt produkt, og du har valget mellem forskellige porøse materialer, der kan lave forskellige ting. Hvilken vil give dig den bedste konverteringsrate og højeste hastighed?" sagde Ning Fang, lektor i kemi ved Georgia State, der har offentliggjort resultaterne af forskningen i Naturkommunikation . "Nu har vi en teori baseret på eksperimentelle beviser, som vi tilføjer til simuleringer for at få en bedre forudsigelse af, hvad der kan være resultatet af at bruge visse katalysatorer."

Undersøgelse af katalytiske reaktioner var tidligere begrænset til teoretiske og beregningsmodeller. Det enkelt-molekyle billeddannelsessystem, designet af Georgia State postdoctoral research associate Bin Dong og offentliggjort i Naturkatalyse , tillader forskere for første gang at se og måle de reaktioner, der opstår på en lille porøs kugle i flere lag, skabt af kollaboratører ved Iowa State University ledet af professor Wenyu Huang og postdoktoral forskningsassistent Yuchen Pei.

Reaktantmolekylerne skal orientere sig i en bestemt retning for at passe gennem nanoporer - åbninger, der er omkring 100 gange mindre end bredden af ​​en hårstrå. Nanoporerne er sammenlignelige i diameter med størrelsen af ​​reaktantmolekylet, og når dets spids når den aktive kerne, det udløser straks det første trin i reaktionen ved kontakt. Det genererede mellemprodukt, imidlertid, er fanget af nanoporen, mens reaktionen fortsætter gennem tre trin for at danne det endelige produktmolekyle.

I modsætning til konventionel teori, denne "nanoporøse barriere" fremskynder reaktionen i stedet for at bremse den, baseret på Fangs eksperimentelle måling af aktiveringsenergi. På trods af at molekylær bevægelse er begrænset af tilstedeværelsen af ​​en porøs skal, processen forstærkes faktisk af indespærringen, undersøgelsen fandt.

"Instinktivt, man ville forvente en faldende aktivitet, når katalytiske centre er afskærmet fra reaktantmolekyler af en nanoporøs skal, " sagde Fang. "Men, vores eksperimentelle beviser fortæller en anden historie. Og mere overraskende, de katalytiske aktiviteter forstærkes yderligere for katalysatorer med længere og smallere nanoporestrukturer, indtil fordelene ved nanoindeslutning overhales af den begrænsede molekylære transport i den nanoporøse skal."

Denne opdagelse kan få store konsekvenser i konstruktionen af ​​nye katalysatorer. For eksempel, hvad der svarer til mere end 500 millioner tønder benzin bruges hvert år til at omdanne ethan og propan til alkener, der bruges til at fremstille plastik, rengøringsmidler og andre produkter. Anvendelse af mere effektive katalysatorer i stor skala kan spare en masse energi i processen.