Een nieuwe theorie ontwikkeld door wetenschappers van de Universiteit van Californië, Berkeley, biedt een fundamenteel inzicht in hoe spanning de katalytische activiteit van materialen kan verbeteren. De theorie, gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances, zou onderzoekers kunnen helpen nieuwe katalysatoren te ontwerpen voor een verscheidenheid aan chemische reacties, waaronder reacties die betrokken zijn bij de productie van brandstoffen en farmaceutische producten.

Katalysatoren zijn materialen die chemische reacties versnellen zonder daarbij te worden verbruikt. Ze zijn essentieel voor een breed scala aan industriële processen, waaronder de productie van benzine, kunststoffen en meststoffen. Veel katalysatoren zijn echter duur en inefficiënt, en ze kunnen ook schadelijke bijproducten produceren.

Eén manier om de prestaties van katalysatoren te verbeteren is door ze te belasten. Dit kan worden gedaan door druk uit te oefenen, het materiaal uit te rekken of te draaien. Er is aangetoond dat gespannen katalysatoren actiever en selectiever zijn dan ongespannen katalysatoren, maar het is niet duidelijk waarom.

De nieuwe theorie ontwikkeld door wetenschappers uit Berkeley biedt een fundamentele verklaring voor de verbeterde katalytische activiteit van onder spanning staande materialen. De theorie laat zien dat spanning de elektronische structuur van de katalysator verandert, waardoor deze reactiever wordt. Door deze verhoogde reactiviteit kan de katalysator chemische reacties effectiever versnellen.

De theorie zou onderzoekers kunnen helpen nieuwe katalysatoren te ontwerpen voor een verscheidenheid aan chemische reacties. Door te begrijpen hoe spanning de katalytische activiteit beïnvloedt, kunnen onderzoekers de eigenschappen van katalysatoren aanpassen om de gewenste resultaten te bereiken. Dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere en milieuvriendelijkere katalysatoren voor een breed scala aan industriële processen.

"Onze theorie biedt een nieuwe manier van denken over katalyse", zegt hoofdauteur van het onderzoek Dr. Jeffrey Greeley. “Het laat zien dat spanning niet alleen een manier is om de prestaties van bestaande katalysatoren te verbeteren, maar ook een manier om nieuwe katalysatoren te ontwerpen met ongekende activiteit en selectiviteit.”

De theorie is gebaseerd op de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), een veelgebruikte methode voor het bestuderen van de elektronische structuur van materialen. DFT-berekeningen werden uitgevoerd op een verscheidenheid aan gespannen en ongespannen katalysatoren, en de resultaten toonden aan dat spanning de elektronische structuur van de materialen aanzienlijk veranderde. Deze veranderingen in de elektronische structuur werden vervolgens gekoppeld aan de verbeterde katalytische activiteit van onder spanning staande materialen.

De studie werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Basic Energy Sciences.