化學家對納米封閉反應的驚人發(fā)現(xiàn)可能有助于催化設計

佐治亞州立大學的化學研究人員在微觀規(guī)模上揭示了催化反應的奧秘之一，從而允許設計更有效的工業(yè)過程。

從食品的消化到車輛中的內(nèi)燃機，催化劑(從食物的消化到汽車的內(nèi)燃機)的所有過程中的化學反應加速，對于將原材料變成石油，塑料，造紙，制藥和釀造等行業(yè)的有用產(chǎn)品至關(guān)重要。了解反應如何發(fā)生可以幫助科學家設計出更好的催化劑，從而更加節(jié)能和環(huán)境可持續(xù)。

研究人員建立了一種新的成像策略，可以跟蹤單分子通過硅膠球殼中的微小孔進行勻漿，并監(jiān)測核心催化中心的化學反應動力學，從而首次定量測定了納米級的局限性。加快催化反應。

了解這種令人驚訝的“納米約束效應”可以幫助指導更節(jié)能，更節(jié)能的工業(yè)催化劑的精確設計。

“您想生產(chǎn)一種特定的產(chǎn)品，并且可以選擇可以制造不同產(chǎn)品的不同多孔材料。哪一種將為您帶來最佳的轉(zhuǎn)化率和最快的速度?” 喬治亞州立大學化學副教授寧芳說，他在《自然通訊》上發(fā)表了這項研究的結(jié)果。“現(xiàn)在我們有了一個基于實驗證據(jù)的理論，我們將其添加到模擬中以更好地預測使用某些催化劑的結(jié)果。”

催化反應的研究以前僅限于理論和計算模型。單分子成像系統(tǒng)是由佐治亞州立大學博士后研究員Bin Dong設計并發(fā)表在《自然催化》上的，該系統(tǒng)使研究人員首次可以看到和測量在愛荷華州立大學的合作者創(chuàng)造的微小多層多孔球體上發(fā)生的反應。由黃文宇教授和博士后研究員裴玉琛領(lǐng)導。

反應物分子必須將其自身定向在特定方向上，以穿過納米孔-納米孔的長度比發(fā)束的寬度小大約100倍。納米孔的直徑與反應物分子的大小相當，當其尖端到達活性核時，一旦接觸，納米孔立即觸發(fā)反應的第一步。然而，隨著反應繼續(xù)進行三個步驟以形成最終產(chǎn)物分子，所生成的中間產(chǎn)物被納米孔捕獲。

與傳統(tǒng)理論相反，這種基于“方孔”的活化能的實驗測量結(jié)果表明，這種“納米孔屏障”可加快反應而不是減慢反應速度。研究發(fā)現(xiàn)，盡管分子的運動受到多孔殼的限制，但實際上該過程由于限制而擴大了。

方說：“本能地，當催化中心被納米多孔殼與反應物分子隔開時，人們會期望其活性降低。” “但是，我們的實驗證據(jù)卻告訴了一個不同的故事。更令人驚訝的是，具有更長和更窄的納米孔結(jié)構(gòu)的催化劑的催化活性進一步增強，直到被納米孔殼中受限制的分子運輸所取代的納米限制的益處為止。”

這一發(fā)現(xiàn)可能會對新型催化劑的工程產(chǎn)生重大影響。例如，每年使用相當于5億多桶的汽油將乙烷和丙烷轉(zhuǎn)化為烯烴，用于制造塑料，清潔劑和其他產(chǎn)品。大規(guī)模使用更高效的催化劑可以節(jié)省大量能源。