Chemische onderzoekers van de Georgia State University hebben een van de mysteries van katalytische reacties op microscopische schaal ontsluierd. waardoor het ontwerp van efficiëntere industriële processen mogelijk wordt.

Katalysatoren - die chemische reacties versnellen in alles, van de vertering van voedsel tot verbrandingsmotoren in voertuigen - zijn essentieel om grondstoffen om te zetten in bruikbare producten in industrieën, inclusief aardolie, kunststoffen, papier, farmaceutica en brouwerijen. Door te begrijpen hoe reacties plaatsvinden, kunnen wetenschappers betere katalysatoren ontwikkelen die energiebesparender en milieuvriendelijker zijn.

De onderzoekers hebben een nieuwe beeldvormingsstrategie ontwikkeld die afzonderlijke moleculen kan volgen terwijl ze door kleine poriën in de schalen van silicabolletjes schuiven en de chemische reactiedynamiek op katalytische centra in de kern kunnen volgen, het produceren van de eerste kwantitatieve metingen van hoe opsluiting op nanoschaal katalytische reacties daadwerkelijk versnelt.

Het begrijpen van dit verrassende "nanoconfinement-effect" zou kunnen helpen bij het precisieontwerp van efficiëntere industriële katalysatoren die energie kunnen besparen.

"Je wilt een specifiek product maken en je hebt de keuze uit verschillende poreuze materialen die verschillende dingen kunnen maken. Welke geeft je de beste conversieratio en hoogste snelheid?" zei Ning Fang, universitair hoofddocent scheikunde aan de staat Georgia, die de resultaten van het onderzoek publiceerde in Natuurcommunicatie . "Nu hebben we een theorie gebaseerd op experimenteel bewijs die we toevoegen aan simulaties om een ​​betere voorspelling te hebben van wat het resultaat zou kunnen zijn van het gebruik van bepaalde katalysatoren."

De studie van katalytische reacties was voorheen beperkt tot theoretische en computationele modellen. Het beeldvormingssysteem met één molecuul, ontworpen door de postdoctorale onderzoeksmedewerker Bin Dong van de staat Georgia en gepubliceerd in: Natuur Katalyse , stelt onderzoekers voor het eerst in staat om de reacties te zien en te meten die plaatsvinden op een kleine meerlagige poreuze bol die is gemaakt door medewerkers van de Iowa State University onder leiding van professor Wenyu Huang en postdoctoraal onderzoeksmedewerker Yuchen Pei.

De reactantmoleculen moeten zich in een specifieke richting oriënteren om door nanoporiën te passen - openingen die ongeveer 100 keer kleiner zijn dan de breedte van een haarlok. De nanoporiën zijn qua diameter vergelijkbaar met de grootte van het reactantmolecuul en wanneer de punt de actieve kern bereikt, het activeert onmiddellijk de eerste stap van de reactie bij contact. Het gegenereerde tussenproduct, echter, wordt gevangen door de nanoporie terwijl de reactie drie stappen doorloopt om het eindproductmolecuul te vormen.

In tegenstelling tot de conventionele theorie, deze "nanoporeuze barrière" versnelt de reactie in plaats van te vertragen, gebaseerd op Fang's experimentele meting van activeringsenergie. Ondanks dat moleculaire beweging wordt beperkt door de aanwezigheid van een poreuze schaal, het proces wordt in feite vergroot door de opsluiting, de studie gevonden.

"Instinctief, men zou een afnemende activiteit verwachten wanneer katalytische centra worden afgeschermd van reactantmoleculen door een nanoporeuze schaal, " zei Fang. "Echter, ons experimentele bewijs vertelt een ander verhaal. En nog verrassender, de katalytische activiteiten worden verder verbeterd voor katalysatoren met langere en smallere nanoporiënstructuren totdat de voordelen van nano-opsluiting worden ingehaald door het beperkte moleculaire transport in de nanoporeuze schaal."

Deze ontdekking zou grote gevolgen kunnen hebben bij de engineering van nieuwe katalysatoren. Bijvoorbeeld, het equivalent van meer dan 500 miljoen vaten benzine wordt elk jaar gebruikt om ethaan en propaan om te zetten in alkenen die worden gebruikt om plastic te maken, wasmiddelen en andere producten. Door op grote schaal efficiëntere katalysatoren toe te passen, kan daarbij veel energie worden bespaard.