化學(xué)家對(duì)納米封閉反應(yīng)的驚人發(fā)現(xiàn)可能有助于催化設(shè)計(jì)

佐治亞州立大學(xué)的化學(xué)研究人員在微觀規(guī)模上揭示了催化反應(yīng)的奧秘之一，從而允許設(shè)計(jì)更有效的工業(yè)過(guò)程。

從食品的消化到車輛中的內(nèi)燃機(jī)，催化劑(從食物的消化到汽車的內(nèi)燃機(jī))的所有過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)加速，對(duì)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(yīng)如何發(fā)生可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)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(guò)硅膠球殼中的微小孔進(jìn)行勻漿，并監(jiān)測(cè)核心催化中心的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從而首次定量測(cè)定了納米級(jí)的局限性。加快催化反應(yīng)。

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

“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(lái)最佳的轉(zhuǎn)化率和最快的速度?” 喬治亞州立大學(xué)化學(xué)副教授寧芳說(shuō)，他在《自然通訊》上發(fā)表了這項(xiàng)研究的結(jié)果。“現(xiàn)在我們有了一個(gè)基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)的理論，我們將其添加到模擬中以更好地預(yù)測(cè)使用某些催化劑的結(jié)果。”

催化反應(yīng)的研究以前僅限于理論和計(jì)算模型。單分子成像系統(tǒng)是由佐治亞州立大學(xué)博士后研究員Bin Dong設(shè)計(jì)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(cè)量在愛(ài)荷華州立大學(xué)的合作者創(chuàng)造的微小多層多孔球體上發(fā)生的反應(yīng)。由黃文宇教授和博士后研究員裴玉琛領(lǐng)導(dǎo)。

反應(yīng)物分子必須將其自身定向在特定方向上，以穿過(guò)納米孔-納米孔的長(zhǎng)度比發(fā)束的寬度小大約100倍。納米孔的直徑與反應(yīng)物分子的大小相當(dāng)，當(dāng)其尖端到達(dá)活性核時(shí)，一旦接觸，納米孔立即觸發(fā)反應(yīng)的第一步。然而，隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行三個(gè)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(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，這種“納米孔屏障”可加快反應(yīng)而不是減慢反應(yīng)速度。研究發(fā)現(xiàn)，盡管分子的運(yùn)動(dòng)受到多孔殼的限制，但實(shí)際上該過(guò)程由于限制而擴(kuò)大了。

方說(shuō)：“本能地，當(dāng)催化中心被納米多孔殼與反應(yīng)物分子隔開(kāi)時(shí)，人們會(huì)期望其活性降低。” “但是，我們的實(shí)驗(yàn)證據(jù)卻告訴了一個(gè)不同的故事。更令人驚訝的是，具有更長(zhǎng)和更窄的納米孔結(jié)構(gòu)的催化劑的催化活性進(jìn)一步增強(qiáng)，直到被納米孔殼中受限制的分子運(yùn)輸所取代的納米限制的益處為止。”

這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)對(duì)新型催化劑的工程產(chǎn)生重大影響。例如，每年使用相當(dāng)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。