Påføring af en lille spænding på en katalysator kan øge hastigheden af ​​almindelige reaktioner, der bruges i fremstillingen, finder undersøgelsen

En simpel teknik, der bruger små mængder energi, kan øge effektiviteten af ​​nogle vigtige kemiske behandlingsreaktioner med op til en faktor på 100.000, rapporterer MIT-forskere. Disse reaktioner er kernen i petrokemisk forarbejdning, farmaceutisk fremstilling og mange andre industrielle kemiske processer.

De overraskende resultater er rapporteret i tidsskriftet Science , i et papir af MIT-kandidatstuderende Karl Westendorff, professorerne Yogesh Surendranath og Yuriy Roman-Leshkov og to andre.

"Resultaterne er virkelig slående," siger Surendranath, professor i kemi og kemiteknik. Hastighedsstigninger i den størrelsesorden er set før, men i en anden klasse af katalytiske reaktioner kendt som redox-halvreaktioner, som involverer forstærkning eller tab af en elektron. De dramatisk øgede hastigheder rapporteret i den nye undersøgelse "er aldrig blevet observeret for reaktioner, der ikke involverer oxidation eller reduktion," siger han.

De ikke-redox-kemiske reaktioner, der er undersøgt af MIT-teamet, katalyseres af syrer. "Hvis du er en førsteårs kemistuderende, er den første type katalysator, du lærer om, sandsynligvis en syrekatalysator," siger Surendranath. Der er mange hundrede af sådanne syrekatalyserede reaktioner, "og de er super vigtige i alt fra behandling af petrokemiske råvarer til fremstilling af råvarekemikalier til at lave transformationer i farmaceutiske produkter. Listen bliver ved og ved."

"Disse reaktioner er nøglen til at lave mange produkter, vi bruger dagligt," tilføjer Roman-Leshkov, professor i kemiteknik og kemi.

Men de mennesker, der studerer redox-halvreaktioner, også kendt som elektrokemiske reaktioner, er en del af et helt andet forskningssamfund end dem, der studerer ikke-redox-kemiske reaktioner, kendt som termokemiske reaktioner. Som et resultat, selvom teknikken, der blev brugt i den nye undersøgelse, som involverer påføring af en lille ekstern spænding, var velkendt i det elektrokemiske forskningsmiljø, var den ikke blevet systematisk anvendt på syrekatalyserede termokemiske reaktioner.

Folk, der arbejder med termokemisk katalyse, siger Surendranath, "overvejer normalt ikke" rollen af ​​det elektrokemiske potentiale på katalysatoroverfladen, "og de har ofte ikke gode måder at måle det på. Og hvad denne undersøgelse fortæller os er, at relativt små ændringer, i størrelsesordenen nogle få hundrede millivolt, kan have enorme påvirkninger - størrelsesordensændringer i hastigheden af ​​katalyserede reaktioner på disse overflader."

"Denne oversete parameter for overfladepotentiale er noget, vi bør være meget opmærksomme på, fordi det kan have en virkelig, virkelig overdimensioneret effekt," siger han. "Det ændrer paradigmet for, hvordan vi tænker om katalyse."

Kemikere tænker traditionelt på overfladekatalyse baseret på den kemiske bindingsenergi af molekyler til aktive steder på overfladen, hvilket påvirker mængden af ​​energi, der er nødvendig for reaktionen, siger han. Men de nye resultater viser, at det elektrostatiske miljø er "lige så vigtigt for at definere reaktionshastigheden."

Holdet har allerede indgivet en foreløbig patentansøgning på dele af processen og arbejder på måder at anvende resultaterne på specifikke kemiske processer. Westendorff siger, at deres resultater tyder på, at "vi bør designe og udvikle forskellige typer reaktorer for at drage fordel af denne form for strategi. Og vi arbejder lige nu på at opskalere disse systemer."

Mens deres eksperimenter indtil videre blev udført med en todimensionel plan elektrode, køres de fleste industrielle reaktioner i tredimensionelle beholdere fyldt med pulvere. Katalysatorer distribueres gennem disse pulvere, hvilket giver meget mere overfladeareal, så reaktionerne kan finde sted.

"Vi ser på, hvordan katalyse i øjeblikket udføres i industrien, og hvordan vi kan designe systemer, der udnytter den allerede eksisterende infrastruktur," siger Westendorff.

Surendranath tilføjer, at disse nye resultater "hæver fristende muligheder:Er dette et mere generelt fænomen? Spiller elektrokemisk potentiale også en nøglerolle i andre reaktionsklasser? I vores sind omformer dette, hvordan vi tænker om at designe katalysatorer og fremme deres reaktivitet."

Roman-Leshkov tilføjer, at "traditionelt ville folk, der arbejder med termokemisk katalyse slet ikke forbinde disse reaktioner med elektrokemiske processer. Men at introducere dette perspektiv til samfundet vil redefinere, hvordan vi kan integrere elektrokemiske egenskaber i termokemisk katalyse. Det vil have en stor indvirkning på samfundet generelt."

Mens der typisk har været lidt interaktion mellem elektrokemiske og termokemiske katalyseforskere, siger Surendranath:"Denne undersøgelse viser samfundet, at der virkelig er en udviskning af linjen mellem de to, og at der er en enorm mulighed i krydsbefrugtning mellem disse to samfund. ."

Westerndorff tilføjer, at for at få det til at fungere, "skal du designe et system, der er ret ukonventionelt for begge samfund for at isolere denne effekt." Og det er med til at forklare, hvorfor en så dramatisk effekt aldrig var set før. Han bemærker, at selv avisens redaktør spurgte dem, hvorfor denne effekt ikke var blevet rapporteret før.

Svaret har at gøre med "hvor forskellige de to ideologier var før dette," siger han. "Det er ikke kun, at folk ikke rigtig taler med hinanden. Der er dybe metodiske forskelle mellem, hvordan de to samfund udfører eksperimenter. Og dette arbejde er virkelig, synes vi, et stort skridt hen imod at bygge bro mellem de to."

I praksis kan resultaterne føre til en langt mere effektiv produktion af en lang række kemiske materialer, siger holdet. "Du får størrelsesordensændringer i hastighed med meget lidt energiinput," siger Surendranath. "Det er det fantastiske ved det."

Resultaterne, siger han, "bygger et mere holistisk billede af, hvordan katalytiske reaktioner ved grænseflader fungerer, uanset om du vil samle dem i kategorien elektrokemiske reaktioner eller termokemiske reaktioner." Han tilføjer, at "det er sjældent, at du finder noget, der virkelig kunne ændre vores grundlæggende forståelse af overfladekatalytiske reaktioner generelt. Vi er meget spændte."

Flere oplysninger: Karl S. Westendorff et al., Elektrisk drevet protonoverførsel fremmer Brønsted-syrekatalyse i størrelsesordener, Videnskab (2024). DOI:10.1126/science.adk4902. www.science.org/doi/10.1126/science.adk4902

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.