Varme klogere, ikke sværere:Hvordan mikrobølger gør katalytiske reaktioner mere effektive

Mange reaktioner, som vi bruger til at producere kemiske forbindelser i fødevarer, medicinsk, og industrielle felter ville ikke være muligt uden brug af katalysatorer. En katalysator er et stof, der selv i små mængder, fremskynder hastigheden af ​​en kemisk reaktion og tillader det undertiden at forekomme under mildere forhold (lavere temperatur og tryk). En god katalysator kan undertiden multiplicere gennemstrømningen af ​​en reaktor i industriel skala eller barbere mere end 100 ° C fra dens driftstemperatur.

Det er ingen overraskelse, derefter, at katalysatorforskning er afgørende for at gøre kemiske reaktioner mere effektive. En fremgangsmåde, der er observeret for at give disse fordele, er opvarmning af metal -nanopartiklerne i nogle katalysatorer direkte ved hjælp af mikrobølger i stedet for konventionelle ensartede opvarmningsteknikker. Metal nanopartikler i katalysatorer interagerer stærkt med mikrobølger og menes at blive opvarmet selektivt. Imidlertid, forskere har rapporteret modstridende resultater, når de bruger denne tilgang, og at forstå den effekt, som selektiv opvarmning af nanopartiklerne har på kemiske reaktioner, er vanskelig, fordi der endnu ikke er fundet metoder til måling af deres lokale temperatur.

Nu, forskere ved Tokyo Tech ledet af prof. Yuji Wada tackler dette problem og demonstrerer en ny tilgang til måling af den lokale temperatur af platin -nanopartikler i en fast katalysator. Deres metode, som beskrevet i deres undersøgelse offentliggjort i Kommunikationskemi , er afhængig af røntgenabsorption fin struktur (XAFS) spektroskopi, hvilken, som navnet antyder, giver information om de små lokale strukturer af et materiale ved hjælp af røntgenstråler.

Ved udvidede XAFS -svingninger, en værdi kaldet Debye-Waller-faktoren kan udledes. Denne faktor består af to udtryk; en relateret til strukturel lidelse, og en relateret til termisk lidelse. Hvis katalysatorens struktur ikke ændres ved mikrobølgeopvarmning, enhver variation i Debye-Waller-faktoren skal skyldes termiske variationer. Derfor, XAFS kan bruges til indirekte at måle temperaturen på metal nanopartikler.

Forskerteamet testede denne fremgangsmåde i platin på aluminiumoxid og platin på silica -katalysatorer for at finde ud af, i hvilket omfang mikrobølger selektivt kan opvarme platin -nanopartiklerne i stedet for deres understøttende materiale. Mikrobølgeopvarmning viste sig at producere en markant temperaturforskel mellem NP og understøtning. En række sammenligningsforsøg viste, at en højere lokal temperatur af metalnanopartiklerne i katalysatorer er afgørende for at opnå højere reaktionshastigheder ved den samme temperatur.

Er spændt på resultaterne, Professor Wada bemærker, "Dette arbejde er det første til at præsentere en metode til vurdering af de lokale temperaturer af nanopartikler og deres virkning på katalytiske reaktioner. Vi konkluderer, at lokal opvarmning af platin -nanopartikler er effektiv til at accelerere kemiske reaktioner, der involverer platin selv, præsenterer en praktisk tilgang til at opnå en dramatisk forbedring i katalytiske reaktioner ved hjælp af mikrobølgeopvarmning. "

Disse fund repræsenterer et gennembrud for at forbedre vores forståelse af mikrobølgeopvarmningens rolle i at forbedre katalytisk ydeevne. Dr. Tsubaki tilføjer, "Effektiv energikoncentration på de aktive steder i katalysatorer - metal nanopartikler i dette tilfælde - bør blive en kritisk strategi for at undersøge mikrobølge kemi for at opnå effektiv energiforbrug til reaktioner og for at muliggøre mildere betingelser for reaktionsacceleration." Denne nye indsigt i katalytiske processer vil forhåbentlig spare masser af energi i det lange løb ved at få reaktorer til at fungere smartere, ikke sværere.