Dotychczas inżynierowie pracujący nad katalizatorami przemysłowymi działali po omacku, opierając się na domysłach i pośrednich pomiarach. Tajemnica niezwykłej skuteczności metali szlachetnych w przyspieszaniu reakcji chemicznych wreszcie została rozwiązana dzięki metodzie nazwanej IET (Isopotential Electron Titration). Po raz pierwszy w historii naukowcom udało się bezpośrednio zmierzyć, jak elektrony są współdzielone między cząsteczkami a powierzchnią katalizatora.
Czytaj też: Ukryty porządek w półprzewodnikach wreszcie odkryty. Zmieni to sposób projektowania urządzeń elektronicznych
Zespół badawczy z University of Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering oraz University of Houston’s Cullen College of Engineering opracował tę innowacyjną technikę, która wykorzystuje kondensatory katalityczne. Co ciekawe, metoda okazała się powtarzalna w różnych laboratoriach, co zwiększa wiarygodność uzyskanych wyników. Szczegóły opisano w czasopiśmie ACS Central Science.
Justin Hopkins, współautor badania, mówi:
Pomiar ułamków elektronów w tak niewiarygodnie małej skali zapewnia najjaśniejszy jak dotąd obraz zachowania cząsteczek na katalizatorach.
Elektrony kluczem do katalizy
Podczas badań stwierdzono, że atom wodoru oddaje zaledwie 0,19 proc. elementarnego ładunku elektronowego podczas wiązania na katalizatorach platynowych. Ten pozornie znikomy procent okazuje się kluczowy dla reakcji wodoru w przemysłowej produkcji chemicznej.
Czytaj też: Wortiony. Magnetyczna rewolucja, która może zmienić elektronikę
Odkrycie wyjaśnia długotrwałą zagadkę skuteczności metali szlachetnych w katalizie. Atomy wodoru rzeczywiście oddają elektrony do powierzchni platyny podczas adsorpcji, co potwierdzono zarówno eksperymentalnie przez IET, jak i teoretycznie przez analizę ładunku Badera. Ta ostatnia przewidywała oddanie 0,4 proc. ładunku elektronowego na atom wodoru, co jest wartością zbliżoną do zmierzonej.
Justin Hopkins dodaje:
Historycznie, inżynierowie katalizatorów polegali na bardziej pośrednich pomiarach w idealizowanych warunkach, aby zrozumieć molekuły na powierzchniach. Zamiast tego, ta nowa metoda pomiarowa zapewnia namacalne przedstawienie wiązań powierzchniowych w warunkach istotnych dla katalizy.
Mechanizm działania jest stosunkowo prosty do wyjaśnienia – cząsteczki bardziej skłonne do współdzielenia elektronów wiążą się silniej z powierzchnią katalizatora, co zwiększa reaktywność całego systemu. To właśnie wyjaśnia, dlaczego złoto, srebro i platyna są tak cenne w procesach katalitycznych – ich struktura elektronowa sprzyja temu mikroskopijnemu, ale kluczowemu transferowi ładunku.
Katalizatory przemysłowe stanowią fundament nowoczesnej chemii, zmniejszając ilość energii potrzebnej do reakcji chemicznych i zwiększając wydajność w produkcji farmaceutyków, baterii oraz procesach petrochemicznych takich jak rafinacja ropy naftowej. Nowa technika może teraz służyć jako narzędzie do eksperymentalnego opisu nowych receptur katalizatorów, potencjalnie przyspieszając poszukiwania idealnych substancji katalitycznych.
Równie istotne jest to, że badania są częścią misji Center for Programmable Energy Catalysis, jednego z Centrów Badań Granicznych Energii Departamentu Energii USA zainicjowanego w 2022 r. Instytucja skupia się na opracowywaniu programowalnych procesów katalitycznych, które dynamicznie zmieniają się w skali czasowej indywidualnej reakcji, co może prowadzić do znaczącego zwiększenia szybkości, selektywności i konwersji.
Paul Dauenhauer, współautor badania, wyjaśnia:
To nowe odkrycie ułamkowego rozkładu elektronów ustanawia zupełnie nową naukową podstawę do zrozumienia katalizatorów, która, jak wierzymy, będzie napędzać nowe technologie energetyczne w ciągu najbliższych kilku dekad.
Technika IET otwiera drogę do identyfikacji reakcji chemicznych wrażliwych na pola elektryczne, co ma kluczowe znaczenie dla rozwoju przyszłych technologii katalitycznych. W połączeniu z nanotechnologiami do syntezowania katalizatorów i narzędziami uczenia maszynowego, metoda ta może znacząco przyspieszyć odkrywanie nowych materiałów katalitycznych.