2019-09-24 19:27:01
团队解决了化学转化十年来的谜团

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西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究人员解决了对于燃料和化肥生产必不可少的化学反应的一个谜。所谓的水煤气变换反应由一氧化碳和蒸汽形成氢燃料和二氧化碳。该研究解决了化学转化中的一个基本问题,该化学转化是通过使用催化剂来完成的,这些化学物质有助于加速反应并用于制造数千种消费品和工业产品。

该发现发表于2019年10月的《自然催化》上,解决了催化中一个基本的鸡或蛋问题:化学反应物和催化剂之间的相互作用是否在反应中产生了一个``活性位点''或``活性位点''已经存在?催化剂?

由Janos Szanyi和Vassiliki-Alexandra(Vanda)Glezakou领导的研究人员结合使用可以实时跟踪反应的先进技术,通过实验确定了活性位点不是催化剂固有的。相反,它是在催化剂遇到该反应物时创建的。 PNNL小组通过观察遇到该反应物前后催化剂性质的明显变化来回答该问题。

PNNL博士后研究助理,该研究论文的第一作者尼古拉斯·尼尔森(Nicholas Nelson)说:“我们的新认识为我们提供了开发更高效催化剂的路线图。” “这样一种途径是使用单一金属原子作为催化位点,而不是彼此粘附数百个金属原子。这将通过确保每个金属原子参与反应来最大化催化剂效率。”

如果研究人员能够开发出更快,更稳定的催化剂来推动水煤气变换反应,它将提高肥料成分(例如氨水)或燃料(例如碳氢化合物,甲醇和氢)的生产效率。

纳尔逊说:“这一发现还可能导致燃料电池技术在能源领域变得更加普遍,这可能会降低运输排放并使我们的能源组合更加多样化。”

这一发现是PNNL集成催化研究所进行了超过两年的实验的最高成果,该研究所探索和发展了催化过程的化学和技术,从而实现了碳中和的未来。研究人员使用了专用的设备,可以实时“看到”发生的反应。通过结合两种光谱形式,研究人员能够以前所未有的细节跟踪反应过程,从而精确地确定了何时,如何结合化学物质以及如何生成产物。仪器功能与使用非常规气体序列进行的实验的结合对于确定水煤气变换反应过程中的关键中间体至关重要。

该反应的中间体,称为羧基,理论上是在10年前提出的,但直到现在还没有通过实验检测到。该中间体的演变和检测是一项重要发现,它改变了科学家对氢与单金属原子催化剂之间相互作用的看法。新的见解不仅将有助于开发用于水煤气变换的催化剂,而且还将有助于涉及氢的许多其他反应。

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