Onderzoekers van de Brown University hebben een nieuwe theorie ontwikkeld om uit te leggen waarom ze beter kunnen presteren door het uitrekken of comprimeren van metaalkatalysatoren. De theorie, beschreven in het journaal Natuur Katalyse , zou nieuwe ontwerpmogelijkheden kunnen openen voor nieuwe katalysatoren met nieuwe mogelijkheden.

Katalysatoren zijn stoffen die chemische reacties versnellen. De overgrote meerderheid van industriële katalyse omvat vaste oppervlakken, vaak metalen, die reacties in vloeistoffen of gassen katalyseren. Een katalysator op een auto, bijvoorbeeld, gebruikt metaalkatalysatoren om gifstoffen uit uitlaatgassen te halen. Er is ook interesse in het gebruik van metaalkatalysatoren om koolstofdioxide om te zetten in brandstoffen, maak meststoffen uit atmosferische stikstof en drijf reacties aan in brandstofcelauto's.

Onderzoek in de afgelopen jaren heeft aangetoond dat het toepassen van een spanning op metaalkatalysatoren - hetzij compressie of spanning - in sommige gevallen de manier waarop ze presteren kan veranderen.

"Strain is momenteel een hot topic in katalyse, " zei Andrew Peterson, een assistent-professor aan Brown's School of Engineering en co-auteur van het onderzoek. "We beginnen dingen onder spanning te zien gebeuren die niet gemakkelijk kunnen worden verklaard door de traditionele theorie van hoe katalysatoren werken. Dat zette ons aan het denken over een alternatief kader voor deze vraag."

Een metaalkatalysator werkt door ervoor te zorgen dat reactanten aan het oppervlak binden, een proces dat bekend staat als adsorptie. Adsorptie verbreekt chemische bindingen van de reactantmoleculen, waardoor verschillende stadia van een chemische reactie op het metaaloppervlak kunnen plaatsvinden. Nadat de reactiefasen zijn voltooid, het eindproduct komt via het omgekeerde proces vrij uit de katalysator, desorptie genoemd.

De belangrijkste eigenschap van een katalysator is zijn reactiviteit, wat betekent hoe stevig het chemische moleculen aan het oppervlak bindt. Katalysatoren moeten enigszins reactief zijn om binding te laten plaatsvinden, maar niet te reactief. Te veel reactiviteit zorgt ervoor dat de katalysator moleculen te stevig vasthoudt, die sommige stadia van de reactie kunnen belemmeren of ervoor kunnen zorgen dat de eindproducten niet kunnen desorberen.

De afgelopen jaren is aangetoond dat het toepassen van een stam op een katalysator de reactiviteit kan afstemmen, en er is een gevestigde theorie voor hoe het werkt. In het algemeen, de theorie voorspelt dat trekspanning de reactiviteit zou verhogen, terwijl compressie het zou moeten verminderen. Echter, Peterson en zijn groep kwamen steeds systemen tegen die niet gemakkelijk verklaard kunnen worden door de theorie.

Dat zette de onderzoekers aan het denken over een nieuwe kijk op het probleem. De traditionele theorie beschrijft zaken op het niveau van elektronen en elektronenbanden. De nieuwe theorie zoomt een beetje uit, in plaats daarvan focussen op de mechanica van hoe moleculen interageren met het atomaire rooster van een katalysator.

Peterson en zijn team toonden aan dat moleculen die aan het oppervlak van een katalysator zijn gebonden, de neiging hebben om atomen in het rooster uit elkaar te duwen of ze dichter bij elkaar te trekken, afhankelijk van de kenmerken van de moleculen en de bindingsplaatsen. De verschillende krachten die door moleculen worden geproduceerd, hebben interessante implicaties voor hoe externe spanning de reactiviteit van een katalysator zou moeten beïnvloeden. Het suggereert dat spanning, die het atoomrooster van een katalysator uitrekt, zou een katalysator reactiever moeten maken voor moleculen die het rooster van nature uit elkaar willen duwen. Tegelijkertijd, spanning zou de reactiviteit moeten verminderen voor moleculen die het rooster samen willen trekken. Compressie - knijpen in het rooster - heeft een omgekeerd effect.

De nieuwe theorie helpt niet alleen eerder raadselachtige resultaten te verklaren, het doet belangrijke nieuwe voorspellingen. specifiek, het voorspelt een manier om traditionele schaalverhoudingen tussen katalysatoren en verschillende soorten moleculen te doorbreken.

"Schaalrelaties betekenen dat, onder normale omstandigheden, wanneer je de reactiviteit van een katalysator voor één chemische stof verhoogt, het verhoogt ook de reactiviteit voor andere chemicaliën, ' zei Peterson. 'Evenzo, als u de reactiviteit voor één chemische stof verlaagt, je verkleint het voor anderen."

Die schaalrelaties veroorzaken lastige afwegingen bij het optimaliseren van een katalysator. Het verkrijgen van de perfecte reactiviteit voor de ene chemische stof kan ertoe leiden dat een andere chemische stof te strak (of te los) bindt, mogelijk remmen van sommige stadia van een reactie. Maar deze nieuwe theorie suggereert dat spanning die schaalrelaties kan verbreken - waardoor een katalysator tegelijkertijd de ene chemische stof strakker en de andere losser kan binden, afhankelijk van de natuurlijke interactie van de chemische stof met het atomaire rooster van de katalysator en de manier waarop het spanningsveld op het katalysatoroppervlak is ontwikkeld.

"Nu kun je beginnen na te denken over het fijn afstemmen van katalysatoren om beter te presteren in verschillende reactiestappen, Peterson zei. "Dat zou de prestaties van een katalysator drastisch kunnen verbeteren, afhankelijk van de betrokken chemicaliën."

Het team van Peterson is begonnen met het samenstellen van een database met veelvoorkomende reactiechemicaliën en hun interacties met verschillende katalysatoroppervlakken. Die database zou als leidraad kunnen dienen voor het vinden van reacties die baat kunnen hebben bij spanning en het verbreken van schaalrelaties.

Ondertussen, Peterson hoopt dat het werk dat ze tot nu toe hebben gedaan die katalysegemeenschap een nieuwe manier van denken over spanning zal geven.

"We proberen een raamwerk te geven dat een meer intuïtief begrip geeft van hoe spanning werkt in katalyse, Peterson zei. "Dus als mensen nieuwe katalysatoren ontwerpen, ze kunnen manieren bedenken om deze soorteffecten beter te benutten."