2019-11-07 05:41:01
化学家对纳米封闭反应的惊人发现可能有助于催化设计

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佐治亚州立大学的化学研究人员在微观规模上揭示了催化反应的奥秘之一,从而允许设计更有效的工业过程。

从食品的消化到车辆中的内燃机,催化剂(从食物的消化到内燃机的所有过程中)的化学反应加速,对于将原材料转化为石油,塑料,造纸,制药和酿造等行业中的有用产品至关重要。了解反应如何发生可以帮助科学家设计出更好的催化剂,从而更加节能和环境可持续。

研究人员建立了一种新的成像策略,可以跟踪单分子通过硅胶球壳中的微小孔进行匀浆并监视核心催化中心上的化学反应动力学,从而首次定量测定了纳米级的局限性加快催化反应。

了解这种令人惊讶的“纳米约束效应”可以帮助指导更节能,更节能的工业催化剂的精确设计。

“您想生产一种特定的产品,并且可以选择可以制造不同产品的不同多孔材料。哪一种将为您带来最佳的转化率和最快的速度?”佐治亚州立大学化学副教授宁芳说,他在《自然通讯》上发表了这项研究的结果。 “现在我们有了一个基于实验证据的理论,我们将其添加到模拟中以更好地预测使用某些催化剂的结果。”

催化反应的研究以前仅限于理论和计算模型。单分子成像系统由佐治亚州立大学博士后研究员Bin Dong设计并发表在《自然催化》上,使研究人员首次可以看到和测量在爱荷华州立大学的合作者创造的微小多层多孔球体上发生的反应。由黄文宇教授和博士后研究员裴玉琛领导。

反应物分子必须将其自身定向在特定方向上,以穿过纳米孔-纳米孔的长度比发束的宽度小大约100倍。纳米孔的直径与反应物分子的大小相当,当其尖端到达活性核时,一旦接触,纳米孔立即触发反应的第一步。然而,随着反应继续进行三个步骤以形成最终产物分子,所生成的中间产物被纳米孔捕获。

与传统理论相反,这种基于“方孔”的活化能的实验测量结果表明,这种“纳米孔屏障”可加快反应而不是减慢反应速度。研究发现,尽管分子的运动受到多孔壳的限制,但实际上该过程由于限制而扩大了。

方说:“本能地,当催化中心被纳米多孔壳与反应物分子隔开时,人们会期望其活性降低。” “但是,我们的实验证据却告诉了一个不同的故事。更令人惊讶的是,具有更长和更窄的纳米孔结构的催化剂的催化活性得到了进一步增强,直到被纳米限制的分子在纳米孔壳中的传输所取代,纳米约束的益处才得以消失。”

这一发现可能会对新型催化剂的工程产生重大影响。例如,每年使用相当于5亿多桶的汽油将乙烷和丙烷转化为烯烃,用于制造塑料,清洁剂和其他产品。大规模使用更高效的催化剂可以节省大量能源。

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