Международная группа исследователей обнаружила, как добавление следовых количеств воды может значительно ускорить химические реакции, такие как гидрогенизация и гидрогенолиз, в которых водород является одним из реагентов или исходных материалов.
Во главе с Маносом Маврикакисом, профессором химической и биологической инженерии Пола А. Элферса в Университете Висконсин-Мэдисон, и Флеммингом Безенбахером, профессором физики и астрономии Орхусского университета, Дания, команда опубликовала его выводы опубликованы в выпуске журнала Science от 18 мая.
Реакции гидрогенизации и гидрогенолиза находят широкое применение во многих ключевых отраслях промышленности, включая нефтехимическую, фармацевтическую, пищевую и сельскохозяйственную. «Например, в нефтехимической промышленности при переработке нефти в бензин и при производстве различных продуктов, полученных из биомассы, вам необходимо гидрогенизировать молекулы - добавлять водород - и все это происходит посредством каталитических превращений», - говорит Маврикакис, один из 100 лучших химиков десятилетия 2000-2010 годов по версии Thomson Reuters.
Химическая реакция превращает набор молекул (реагентов) в другой набор молекул (продуктов), а катализатор - это вещество, которое ускоряет эту химическую реакцию, но при этом само не расходуется в процессе.
В промышленных применениях важна скорость каталитических превращений, говорит Маврикакис. «Скорость, с которой атомы водорода диффундируют по поверхности катализатора, в значительной степени определяет скорость химической реакции - скорость, с которой мы производим продукты, которые хотим производить», - говорит он.
Хотя многие исследователи заметили, что вода может ускорять химические реакции, в которых водород является реагентом или продуктом, до сих пор им не хватало фундаментального понимания того, как происходит этот эффект, говорит Маврикакис. «Никто не оценил важность воды, даже на уровне частей на миллион», - говорит он.
В своих исследованиях Маврикакис и Безенбахер использовали свой теоретический и экспериментальный опыт для изучения оксидов металлов, класса материалов, часто используемых в качестве катализаторов или подложек для катализаторов. Они обнаружили, что присутствие даже самых незначительных количеств воды - порядка тех, что содержатся в космическом вакууме - может ускорить диффузию атомов водорода на оксиде железа на 16 порядков при комнатной температуре. Другими словами, вода заставляет водород диффундировать в 10 000 триллионов раз быстрее на оксидах металлов, чем он диффундировал бы в отсутствие воды. Без воды для ускорения этого движения необходимо тепло.
Безенбахер и его коллеги имеют один из самых быстрых в мире сканирующих туннельных микроскопов с разрешением атомного масштаба. С его помощью они смогли увидеть, как быстро атомы водорода диффундируют через оксид железа в присутствии воды.
Чтобы объяснить фундаментальные механизмы того, как это произошло, Маврикакис и его команда использовали квантовую механику, раздел физики, который объясняет поведение материи в атомном масштабе; и массивно-параллельные вычисления. По сути, когда присутствует вода, водород диффундирует посредством переноса протона или механизма «прыжка» протона, при котором атомы водорода с поверхности оксида прыгают на близлежащие молекулы воды и образуют ионы гидроксония, которые затем доставляют свой дополнительный протон на поверхность оксида. и освободить молекулу воды. Этот повторяющийся процесс приводит к быстрой диффузии атомов водорода на поверхность оксида.
Этот процесс тоже не происходит сам по себе. Исследователи также показали, что когда они раскатывают пресловутый красный ковер - наноразмерную «дорожку», созданную по образцу атомов водорода - на оксиде железа, вода находит эту дорожку, остается на ней и продолжает двигаться. Открытие может иметь отношение к наноразмерным прецизионным приложениям, опосредованным водой, таким как нанофлюидика, датчики из нанотрубок и перенос через биологические мембраны, среди прочего.
Управление фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США финансировало исследование UW-Madison. Другие авторы UW-Madison в научной статье включают ученого-исследователя в области химической и биологической инженерии Говена Пэна, аспиранта Кэрри Фарбероу и выпускника доктора философии Ларса Грабоу (ныне доцент Хьюстонского университета). Другие авторы включают Линдси Мерте, Ральфа Бехштейна, Феликса Рибольдта, Вильгельмину Кудернатш, Стефана Вендта и Эрика Лаэгсгаарда из Орхусского университета.