Почему некоторые каталитические материалы работают более эффективно, когда они окружены водой, а не газовой фазой, неясно. Химики RUB теперь получили первоначальные ответы с помощью компьютерного моделирования. Они показали, что вода стабилизирует определенные состояния заряда на поверхности катализатора.
«Катализатор и вода взаимодействуют друг с другом», - говорит профессор Доминик Маркс, иллюстрируя основные сложные процессы переноса заряда. Его рабочая группа на кафедре теоретической химии также рассчитала, как можно повысить эффективность каталитических систем без воды за счет изменения давления и температуры. Исследователи описывают результаты в журналах «Physical Review Letters» и «Journal of Physical Chemistry Letters».
Гетерогенный катализ: вода или газ в качестве второй фазы
В гетерогенном катализе исследователи комбинируют вещества из двух разных фаз - обычно твердой и газообразной. На полученных границах раздела химические реакции протекают быстрее, чем без катализатора. Промышленность использует гетерогенный катализ во многих процессах, например, для превращения спиртов в некоторые альдегиды. В качестве твердой фазы пригоден диоксид титана с частицами золота, связанными с поверхностью. Вода - вместо газа - как вторая фаза имеет ряд преимуществ: экологически вредные вещества, которые требуются в традиционных процессах для окисления спиртов, можно просто заменить кислородом воздуха. Кроме того, вся реакция в воде очень эффективна даже при умеренных температурах.
Перенос заряда между водой и катализатором
То, что происходит при катализе на молекулярном уровне, было исследовано химиками-теоретиками с использованием так называемого моделирования молекулярной динамики ab initio. Результат: между водой и катализатором происходит перенос заряда. Электроны, точнее части электронной плотности, перемещаются между твердой и жидкой фазами. Исследователи предполагают, что таким образом жидкая фаза стабилизирует состояние заряда на поверхности золота. Места, где это происходит, могут быть активными центрами катализатора, где химические реакции протекают эффективно. В отличие от воды, газовая фаза не может «взаимодействовать» с катализатором таким образом, потому что перенос заряда в газовой фазе невозможен.
Повышение эффективности с помощью термодинамики
В ходе дальнейшего исследования группа Доминика Маркса изучила родственный металл/оксидный катализатор, изготовленный из меди и оксида цинка, который используется в крупномасштабном синтезе метанола. Как показало компьютерное моделирование, взаимодействие между твердой фазой и газовой фазой особенно важно для эффективности. В зависимости от давления и температурных условий водород связывается с поверхностью катализатора и таким образом косвенно стабилизирует каталитически активные центры, возникающие в этом случае в результате переноса электронов между оксидом и металлом. «Без водорода центры, грубо говоря, вообще не существовали бы», - объясняет Маркс. Таким образом, термодинамические условия в газовой фазе приводят поверхность в особое состояние, особенно благоприятное для работы катализатора.
Добавленная стоимость за счет комбинации
В этих двух работах показано, что эффективность катализатора можно контролировать как растворителем, так и термодинамикой, а именно давлением и температурой газовой фазы. Однако за это отвечают совсем другие механизмы, которые исследователи смогли объяснить с помощью тех же методов моделирования. Это делает результаты непосредственно сопоставимыми. В будущем теоретики хотят использовать эти методы, чтобы выяснить, могут ли они дополнительно оптимизировать систему медь/оксид цинка, заменив газовую фазу подходящим растворителем.
Активная роль растворителя в каталитических реакциях исследуется химиками RUB в Кластере передового опыта «Рур исследует сольватацию» RESOLV (EXC 1069), который был одобрен Немецким исследовательским фондом в июне 2012.