Overtollige waterstof kan problemen veroorzaken in verschillende industrieën. Het kan halfgeleiders aantasten, elektronica, en nucleaire brandstof in opslag. Het vormt ook een explosiegevaar. Om deze extra waterstof te verwijderen, scheikundigen kunnen een organische verbinding gebruiken die een waterstofvanger wordt genoemd en die chemisch bindt aan verschillende waterstofatomen.

Maar soms, tijdens dit bindingsproces - katalytische hydrogenering genoemd - worden de gedeeltelijk gehydrogeneerde producten vluchtig, smelten en verdampen voordat ze aan meer waterstofatomen kunnen binden. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben onderzocht hoe en waarom deze vluchtigheid varieert tijdens hydrogenering, wat suggereert dat een voorheen ondergewaardeerd effect van koolstof-waterstofbindingen in het molecuul de belangrijkste boosdoener is.

De nieuwe analyse, gepubliceerd in The Tijdschrift voor Chemische Fysica , kan scheikundigen helpen bij het identificeren van de ideale omstandigheden die nodig zijn voor katalytische hydrogenering, zodat ze overtollige waterstof beter kunnen verwijderen.

"Hierdoor ontstaat een model voor het gedrag van andere organische getters, waardoor we hun optimale bedrijfstemperaturen en omgevingen kunnen voorspellen, " zei Lange Dinh, een natuurkundige aan het Lawrence Livermore National Laboratory.

Dinh en zijn collega's concentreerden zich op een getter genaamd 1, 4 bis(fenylethynyl)benzeen, of DEB. Om waterstof te verwijderen, kristalvlokken van DEB worden gemengd met katalysatoren in de vorm van vaste korrels. De pellets zijn gemaakt van actieve kool - waarvan de poreuze structuur een overvloedig oppervlak biedt - bedekt met palladium-nanodeeltjes. De palladiumkatalysator splitst waterstofmoleculen in waterstofatomen, die vervolgens aan DEB kunnen binden en koolstof-waterstofbindingen kunnen vormen.

DEB is een getter met hoge capaciteit, kan binden met maximaal acht waterstofatomen. De meeste onderzoekers dachten dat als getters zoals DEB met meer waterstofatomen binden en groter worden, ze worden vluchtiger. Bij hoge bedrijfstemperaturen, ze kunnen dan verdampen, ver afdrijven van de katalytische pellets waar geen waterstofatomen zijn om mee te binden. "Je stopt het hydrogeneringsproces voortijdig, ' zei Dinh.

Maar de onderzoekers ontdekten dat in de eerste twee stappen van hydrogenering, wanneer DEB twee koolstof-waterstofbindingen per stap vormt (de koolstof-waterstofbindingen worden gecreëerd aan weerszijden van de koolstofketen van het molecuul), het molecuul neemt in feite af in vluchtigheid. Alleen in de daaropvolgende hydrogeneringsstappen wordt DEB vluchtiger.

Om te bestuderen hoe en waarom DEB verandert in volatiliteit, de onderzoekers maten eigenschappen zoals dampdrukken en smeltpunten, onderzochte moleculaire structuur, en voerde kwantummechanische computersimulaties uit om het hydrogeneringsproces te modelleren. Hun analyse suggereert dat de koolstof-waterstofbindingen in DEB een sleutelrol spelen in het vluchtige gedrag van het molecuul.

Tijdens hydrogenering, waterstof bindt aan koolstofatomen in DEB. Volgens de conventionele gedachte, de resulterende koolstof-waterstofbinding is niet-polair - geen van beide uiteinden van de barbell-structuur is meer negatief of positief geladen dan de andere. Maar het blijkt dat het koolstofuiteinde iets negatiever is, en de koolstof-waterstofbinding vormt een zwakke dipool, Dinh uitgelegd.

Als dipool, een koolstof-waterstofbinding kan andere koolstof-waterstofbindingen in andere DEB-moleculen aantrekken of afstoten. Afhankelijk van hoe de koolstof-waterstofbindingen zijn gerangschikt en hoeveel er in de tussenliggende DEB-producten zijn, de moleculen kunnen elkaar aantrekken of afstoten, en dus minder of meer volatiel zijn, respectievelijk. Eerder onderzoek had deze collectieve interacties tussen koolstof-waterstofbindingen in organische kristallen over het hoofd gezien, zei Dinh.

Uit hun analyse blijkt de onderzoekers hebben vastgesteld dat de optimale omstandigheden voor DEB-hydrogenering lager zijn dan ongeveer 175 graden Fahrenheit, indien gedaan in een goed vacuüm. "Onze resultaten, "Dinh zei, "kan ook analoog worden toegepast op andere katalytische organische waterstofvangersystemen."