Hydrofobe molekylers rolle i katalytiske reaktioner

Elektrokemiske processer kan bruges til at omdanne CO ₂ til nyttige udgangsmaterialer til industrien. For at optimere processerne, kemikere forsøger i detaljer at beregne energiomkostningerne forårsaget af de forskellige reaktionspartnere og trin. Forskere fra Ruhr-Universität Bochum (RUB) og Sorbonne Université i Paris har opdaget, hvordan små hydrofobe molekyler, såsom CO ₂ , bidrage til energiomkostningerne ved sådanne reaktioner ved at analysere, hvordan molekylerne interagerer i vand ved grænsefladen. Teamet beskriver resultaterne i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences , offentliggjort online den 13. april 2021.

For at udføre arbejdet, Dr. Alessandra Serva og professor Mathieu Salanne fra Laboratoire PHENIX ved Université Sorbonne samarbejdede med professor Martina Havenith og Dr. Simone Pezzotti fra Bochum-lærestolen for fysisk kemi II.

Afgørende rolle for små hydrofobe molekyler

I mange elektrokemiske processer, små hydrofobe molekyler reagerer på katalysatoroverflader, der ofte består af ædelmetaller. Sådanne reaktioner finder ofte sted i en vandig opløsning, hvorved vandmolekylerne danner såkaldte hydreringsskaller omkring de andre molekyler:de akkumuleres omkring de andre molekyler. Vandet omkring polar, dvs. hygroskopiske molekyler opfører sig anderledes sammenlignet med vandet, der omgiver ikke-polære molekyler, som også kaldes hydrofobe. Det fransk-tyske forskerhold var interesseret i denne hydrofobe hydrering.

Ved hjælp af molekylær dynamiske simuleringer, forskerne analyserede den hydrofobe hydrering af små molekyler såsom kuldioxid (CO ₂ ) eller nitrogen (N2) ved grænsefladen mellem guldet og vandet. De viste, at samspillet mellem vandmolekyler i nærheden af ​​små hydrofobe molekyler yder et afgørende bidrag til energiomkostningerne ved elektrokemiske reaktioner.

Model til beregning af energiomkostninger udvidet

Forskerne implementerede disse resultater i Lum-Chandler-Weeks teorien. Dette gør det muligt at beregne den energi, der kræves til at danne vandnetværk. "Energiomkostningerne til hydrofob hydrering blev beregnet for hovedparten i den tidligere model. Denne model er nu blevet udvidet her til hydrofobe molekyler nær grænseflader. Denne case var ikke medtaget før, " forklarer Martina Havenith, Formanden for Ruhr udforsker Solvation Cluster of Excellence, RESOLV for kort, hos RUB. Den tilpassede model gør det muligt nu at beregne energiomkostningerne for hydrofob hydrering ved grænsefladen mellem guld og vand baseret på størrelsen af ​​de hydrofobe molekyler. "På grund af vandbidraget, Størrelsen af ​​molekylerne spiller en vigtig rolle i de kemiske reaktioner ved disse grænseflader, " siger Dr. Simone Pezzotti fra Bochum Chair of Physical Chemistry II.

For eksempel, modellen forudsiger, at små hydrofobe molekyler vil have en tendens til at akkumulere ved grænsefladen baseret på interaktionerne med vandet, mens større molekyler ville forblive længere væk i opløsningen.