Катализаторы – вещества, которые ускоряют химические реакции. Подавляющее большинство промышленного катализа включает твердые поверхности, часто металлы, которые катализируют реакции в жидкостях или газах. Каталитический конвертер на автомобиле, например, использует металлические катализаторы, чтобы щипнуть токсины из выхлопных газов. Есть также интерес к использованию металлических катализаторов, чтобы преобразовать углекислый газ в топливо, сделать удобрения из атмосферного азота и реакций двигателя в автомобилях на топливном элементе.
Исследование в последние годы показало, что применение напряжения к металлическим катализаторам – или сжатие или напряженность – может в некоторых случаях изменить способ, которым они выступают.«Напряжение – действительно горячая тема в катализе прямо сейчас», сказал Эндрю Петерсон, доцент в Школе Брауна Разработки и соавтор исследования. «У нас есть старт, видя вещи, происходящие под напряжением, которые легко не объяснены традиционной теорией того, как работают катализаторы.
Это получило нас думающий об альтернативной структуре для этого вопроса».Металлический катализатор работает, заставляя реагенты связать с его поверхностью, процесс, известный как адсорбция. Адсорбция разрывает химические связи молекул реагента, позволяя различным стадиям химической реакции произойти на поверхности металла. После того, как стадии реакции полны, конечный продукт выпущен от катализатора до обратного процесса, названного десорбцией.
Ключевое свойство катализатора – своя реактивность, означая, как плотно оно связывает химические молекулы со своей поверхностью. Катализаторы должны быть несколько реактивными для закрепления, чтобы произойти, но не слишком реактивные.
Слишком много реактивности заставляет катализатор держать молекулы слишком плотно, которые могут препятствовать некоторым стадиям реакции или сделать ее так, конечные продукты не могут выделить.Было показано в последние годы, что применение напряжения к катализатору может настроить свою реактивность, и есть известная теория для того, как это работает. Вообще говоря, теория предсказывает, что растяжимое напряжение должно увеличить реактивность, в то время как сжатие должно уменьшить его. Однако Петерсон и его группа продолжали сталкиваться с системами, которые легко не объяснены теорией.
Это получило исследователей, думающих о новом способе рассмотреть проблему. Традиционная теория описывает вещи на уровне электронов и электронных групп. Новая теория уменьшает масштаб немного, сосредотачиваясь вместо этого на механике того, как молекулы взаимодействуют с атомной решеткой катализатора.Петерсон и его команда показали, что молекулы, связанные с поверхностью катализатора, будут иметь тенденцию или выдвигать атомы в решетке обособленно или тянуть их ближе вместе, в зависимости от особенностей молекул и связывающих участков.
Различные силы, произведенные молекулами, имеют интересные последствия для того, как внешнее напряжение должно затронуть реактивность катализатора. Это предлагает, чтобы напряженность, которая протягивает атомную решетку катализатора, сделала катализатор более реактивным к молекулам, которые естественно хотят выдвинуть решетку обособленно.
В то же время напряженность должна уменьшить реактивность для молекул, которые хотят сплотить решетку. Сжатие – сжатие решетки – имеет обратный эффект.
Новая теория не только помогает объяснить ранее озадачивающие результаты, она делает важные новые предсказания. Определенно, это предсказывает способ сломать традиционные отношения вычисления между катализаторами и различными типами молекул.«Вычисление отношений означает, что, при нормальных обстоятельствах, когда Вы увеличиваете реактивность катализатора для одного химиката, оно увеличивает реактивность для других химикатов также», сказал Петерсон. «Точно так же, если Вы уменьшаете реактивность для одного химиката, Вы уменьшаете его для других».
Те, которые измеряют отношения, вызывают неприятные компромиссы, пытаясь оптимизировать катализатор. Получение прекрасной реактивности для одного химиката могло заставить другой химикат связывать слишком плотно (или слишком свободно), потенциально запретив некоторые стадии реакции.
Но эта новая теория предполагает, что напряжение может сломать тех, которые измеряют отношения – предоставление возможности катализатора одновременно связать один химикат более плотно и другого более свободно, в зависимости от естественного взаимодействия химиката с атомной решеткой катализатора и способом, которым область напряжения спроектирована на поверхности катализатора.«Теперь Вы можете начать думать о реальной точной настройке катализаторов выступать лучше всюду по различным шагам реакции», сказал Петерсон. «Это могло существенно улучшить работу катализатора, в зависимости от включенных химикатов».Команда Петерсона начала соединять базу данных общих химикатов реакции и их взаимодействий с различными поверхностями катализатора. Та база данных могла служить руководством для нахождения реакций, которые могли извлечь выгоду из напряжения и ломки измеряющих отношений.
Тем временем Петерсон надеется работа, которую они сделали, к настоящему времени предоставит тому сообществу катализа новый образ мыслей о напряжении.«Мы пытаемся дать структуру, которая обеспечивает более интуитивное понимание, как напряжение работает в катализе», сказал Петерсон. «Таким образом, поскольку люди проектируют новые катализаторы, они могут думать о способах лучше использовать эти эффекты напряжения».