(Ngày 17 tháng 5 năm 2012)
Một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra cách thêm một lượng nhỏ nước rất có thể tăng tốc độ phản ứng hóa học – chẳng hạn như hydro và hydrogenolysis – trong đó hydro là một trong những chất phản ứng, hoặc nguyên liệu ban đầu.
Dẫn đầu bởi Manos Mavrikakis Paul A. Elfers giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học tại Đại học Wisconsin-Madison, và các Flemming Besenbacher, một giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Aarhus, Đan Mạch, nhóm nghiên cứu công bố phát hiện của mình trong tháng 18 vấn đề của tạp chí Khoa học.
Phản ứng hydro hóa và hydrogenolysis có ứng dụng rất lớn trong nhiều ngành công nghiệp trọng điểm, bao gồm hóa dầu, dược phẩm, thực phẩm và các ngành công nghiệp nông nghiệp. “Trong ngành công nghiệp hóa dầu, ví dụ, nâng cấp dầu xăng, và trong việc đưa ra các sản phẩm có nguồn gốc từ sinh khối, bạn cần hydrogenate phân tử – để thêm hydro và tất cả những điều này xảy ra thông qua chuyển đổi xúc tác,” Mavrikakis, người trong số các nhà hóa học hàng đầu-100 của thập niên 2000-10, theo Thomson Reuters.
Một phản ứng hóa học biến đổi một tập hợp của các phân tử (các chất phản ứng) vào một tập hợp của các phân tử (sản phẩm), và một chất xúc tác là một chất tăng tốc độ phản ứng hóa học, trong khi không phải được tiêu thụ trong quá trình này.
Trong các ứng dụng công nghiệp, tốc độ của biến đổi xúc tác là quan trọng, Mavrikakis. “Tỷ lệ mà tại đó các nguyên tử hydro khuếch tán trên bề mặt của chất xúc tác xác định, đến một mức độ lớn, tốc độ của phản ứng hóa học – tốc độ mà chúng tôi sản xuất các sản phẩm chúng tôi muốn sản xuất”, ông nói.
Trong khi nhiều nhà nghiên cứu đã quan sát thấy rằng nước có thể tăng tốc độ phản ứng hóa học trong đó hydro là một chất phản ứng hoặc sản phẩm, cho đến bây giờ, họ thiếu một cách nắm bắt cơ bản của làm thế nào mà ảnh hưởng được diễn ra, Mavrikakis. “Không ai đã đánh giá cao tầm quan trọng của nước, ngay cả ở các phần trên một triệu cấp,” ông nói.
Trong nghiên cứu của họ, Mavrikakis và Besenbacher đã thu hút trên lý thuyết và thực nghiệm chuyên môn của họ tương ứng để nghiên cứu các oxit kim loại, một loại vật liệu thường được sử dụng làm chất xúc tác, hỗ trợ chất xúc tác. Họ nhận thấy rằng sự hiện diện của ngay cả những lượng nhỏ nhất nước – thứ tự của những người trong một chân không ngoài không gian – có thể tăng tốc độ khuếch tán của các nguyên tử hydro trên oxit sắt bằng 16 bậc độ lớn ở nhiệt độ phòng. Nói cách khác, nước làm cho hydro khuếch tán 10.000 nghìn tỷ lần nhanh hơn trên các oxit kim loại hơn nó sẽ khuếch tán trong trường hợp không có nước. Nếu không có nước, nhiệt là cần thiết để tăng tốc độ chuyển động đó.
Besenbacher và các đồng nghiệp của ông đã có một thế giới nhanh nhất các kính hiển vi quét đường hầm, trong đó có độ phân giải quy mô nguyên tử. Với nó, họ có thể nhanh chóng nguyên tử hydro khuếch tán qua oxit sắt trong sự hiện diện của nước.
Để giải thích cơ chế cơ bản của làm thế nào mà xảy ra, Mavrikakis và nhóm của ông được sử dụng cơ học lượng tử, một chi nhánh của vật lý giải thích hành vi của vật chất trên quy mô nguyên tử và máy tính ồ ạt song song. Về cơ bản, khi có nước, khuếch tán khí hydro qua một proton chuyển giao, hoặc proton “nhảy”, cơ chế, trong đó các nguyên tử hydro từ bề mặt oxit nhảy vào phân tử nước gần đó và làm cho các ion hydronium, sau đó cung cấp thêm proton của họ với bề mặt oxit và giải phóng một phân tử nước. Đó là quá trình lặp đi lặp lại dẫn đến sự khuếch tán nhanh chóng nguyên tử hydro trên bề mặt oxit.
Đó là một quá trình không xảy ra Willy-nilly, hoặc. Các nhà nghiên cứu cũng cho thấy rằng khi họ tung ra các phương ngôn thảm đỏ – một kích cỡ nano “con đường” templated với các nguyên tử hydro – trên oxit sắt, các nước sẽ tìm thấy con đường đó, ở trên nó, và tiếp tục di chuyển. Phát hiện có thể có liên quan trong ứng dụng chính xác kích thước nano qua trung gian của nước, chẳng hạn như nanofluidics, cảm biến ống nano, và chuyển qua màng sinh học, trong số những người khác.
Bộ Ngoại giao Hoa Kỳ Văn phòng Năng lượng Khoa học năng lượng cơ bản tài trợ nghiên cứu UW-Madison. UW-Madison tác giả chính của nghiên cứu Khoa học kỹ thuật hóa học và sinh học nhà khoa học nghiên cứu Guowen Peng, Nghiên cứu sinh Carrie Farberow, và cựu sinh viên tiến sĩ Lars Grabow (bây giờ là một trợ lý giáo sư tại Đại học Houston). Các tác giả khác bao gồm:: Lindsay Merte, Ralf Bechstein, Felix Rieboldt, Wilhelmine Kudernatsch, Stefan Wendt và Erik Laegsgaard của Đại học Aarhus.
Links gốc tiếng anh: LINKS
Theo sciencedaily.com
Leave a Reply