Ученые впервые смогли определить, какую долю электрона молекулы передают металлу в процессе каталитической реакции. Это открытие помогает понять, почему драгоценные металлы так эффективны в катализе и может послужить основой для разработки более доступных катализаторов.
Катализаторы — это вещества, способствующие ускорению химических реакций и снижению энергии, необходимой для их осуществления. Они имеют критическое значение для производства лекарств, аккумуляторов, топлива и множества других материалов. Без катализаторов современная промышленность не смогла бы удовлетворить растущий глобальный спрос на химическую продукцию.
На протяжении более ста лет ученые выдвигали предположение, что молекулы, взаимодействуя с поверхностью катализатора, передают металлу часть своих электронов. Эта временная связь стабилизирует молекулы и способствует более эффективному протеканию реакций. Однако до сих пор никому не удавалось напрямую измерить крошечные доли электрона, которые молекулы обмениваются с катализатором во время химической реакции.
Исследователи Центра программируемого энергетического катализа при Университете Миннесоты разработали инновационную методику под названием изопотенциальное электронное титрование (IET), которая позволяет производить такие измерения. «Определение долей электрона на столь малом масштабе предоставляет самое ясное представление о поведении молекул на катализаторах», — говорит Джастин Хопкинс, аспирант и ведущий автор исследования. «Ранее инженеры-каталитики полагались на менее прямые измерения в идеализированных условиях. Наш метод предлагает конкретное описание поверхностной связи в условиях, актуальных для катализа».
Данное исследование объясняет, почему драгоценные металлы — золото, серебро и платина — так хорошо работают в роли катализаторов. Они достигают оптимального уровня электронного обмена, необходимого для управления каталитическими процессами. «IET позволил нам определить долю электрона, которая передается поверхности катализатора, даже на уровне менее одного процента», — отмечает Омар Абдельрахман, доцент Университета Хьюстона. «Атом водорода передает только 0,2% электрона при связывании с платиновыми катализаторами, но именно этот небольшой процент делает возможной реакцию водорода в промышленном химическом производстве».
Новая методика может быть использована для непосредственного описания и сравнения новых катализаторных формул, что поможет специалистам быстрее находить перспективные материалы. «Наше открытие закладывает совершенно новую научную основу для понимания катализаторов, которая, как мы считаем, будет способствовать развитию новых энергетических технологий в ближайшие десятилетия», — заключает Пол Дауэнхауэр, директор Центра программируемого энергетического катализа.
Фото: hi-tech.mail.ru