Исследователи из Центра программируемого энергетического катализа, базирующегося в Университете Миннесоты, совместно с коллегами из Университета Хьюстона совершили прорыв в понимании каталитических процессов. Им удалось впервые напрямую измерить долю электрона, участвующую в каталитическом производстве. Эти открытия, опубликованные в журнале ACS Central Science, проливают свет на эффективность драгоценных металлов – золота, серебра и платины – в качестве катализаторов и открывают новые горизонты для разработки более совершенных материалов.
Катализаторы – вещества, ускоряющие химические реакции и снижающие потребность в энергии, – играют ключевую роль в современной промышленности. Они незаменимы в производстве фармацевтических препаратов, батарей, а также в нефтехимической отрасли, включая переработку сырой нефти. Эти вещества позволяют удовлетворять мировой спрос на важнейшие материалы. Повышение скорости, надежности и контролируемости катализаторов является приоритетной задачей для топливной, химической и материаловедческой промышленности, поскольку стремление к созданию более эффективных и экономически выгодных каталитических систем постоянно растет.
Известно, что при контакте молекул с каталитической поверхностью происходит обмен частью электронов с металлом – в данном случае золотом, серебром или платиной. Это взаимодействие временно стабилизирует молекулы, облегчая химические реакции. Несмотря на то, что ученые предполагали такое поведение более ста лет, крошечные доли электрона, участвующие в этом процессе, никогда не были непосредственно измерены. Теперь исследователи из Центра программируемого энергетического катализа показали, что этот обмен электронами можно измерить напрямую с помощью разработанного ими метода, названного изопотенциальным электронным титрованием (IET).
Измерение долей электрона в столь малых масштабах дает наиболее полное представление о поведении молекул на катализаторах, отмечает Джастин Хопкинс, аспирант химической инженерии Университета Миннесоты и ведущий автор исследования. Он добавляет, что ранее инженеры-каталитики полагались на косвенные измерения в идеализированных условиях, тогда как новый метод IET предлагает наглядное описание поверхностных связей в условиях, релевантных каталитическим процессам. Точное знание объема переноса электронов на поверхности катализатора критически важно для понимания его эффективности. Молекулы, активнее обменивающиеся электронами, как правило, прочнее связываются и легче реагируют. Драгоценные металлы достигают идеального уровня обмена электронами, необходимого для стимуляции каталитических реакций, но до сих пор точный масштаб этого обмена оставался неизмеримым.
Техника IET теперь станет мощным инструментом для непосредственного описания и сравнения новых каталитических составов, что позволит ученым быстрее выявлять перспективные материалы. Омар Абдельрахман, соответствующий автор исследования и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии инженерного колледжа Каллена Университета Хьюстона, подчеркивает, что IET позволила измерить долю электрона, передаваемую каталитической поверхности, даже на уровне менее одного процента. «Например, атом водорода отдает платиновому катализатору всего 0,2% электрона, но именно эта ничтожно малая доля делает возможной реакцию водорода в промышленных химических процессах», – объясняет он.
Интенсивное развитие нанотехнологий для создания катализаторов и применение машинного обучения для анализа больших данных уже значительно расширили каталог известных каталитических материалов. Разработка IET предлагает третий, комплементарный подход, позволяя исследователям изучать поведение катализаторов непосредственно на фундаментальном электронном уровне. Профессор Пол Дауэнхауэр, директор Центра программируемого энергетического катализа Университета Миннесоты, отмечает, что основой для новых каталитических технологий всегда были фундаментальные научные исследования. «Это новое открытие в области распределения долей электронов закладывает совершенно новую научную базу для понимания катализаторов, которая, как мы полагаем, будет способствовать развитию новых энергетических технологий в ближайшие десятилетия», – говорит он.
Это открытие поддерживает более широкую миссию Центра программируемого энергетического катализа, одного из исследовательских центров Министерства энергетики США. С момента своего основания в 2022 году Центр активно работает над разработкой каталитических технологий следующего поколения, ориентированных на производство материалов, химикатов и топлива с использованием передовых динамических каталитических систем.
