Катализаторы будущего станут лучше

Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory, далее — PNNL, США) решили загадку химической реакции, лежащей в основе при производстве топлива и азотных удобрений. Предметом исследований оказалась так называемая конверсия водяного газа, в результате которой из монооксида углерода и пара формируется водородное топливо и двуокись углерода.

В своей работе, опубликованной в октябрьском выпуске журнала Nature Catalysis, ученые пытались ответить на фундаментальный вопрос химических трансформаций: создает ли взаимодействие химических реагентов с катализатором активный центр, или же активный центр уже присутствует внутри катализатора? Активным центром, или активным сайтом, называется часть молекулы фермента, взаимодействующая с молекулой субстрата или ее частями, непосредственно участвующими в реакции.

Используя комбинацию сложных техник и двух форм спектроскопии, позволивших отслеживать протекание химической реакции в реальном времени, команда ученых, возглавляемая Яносом Шаньи (Janos Szanyi) и Вассилики-Александрой Глезаку (Vassiliki-Alexandra Glezakou), экспериментально установила, что активный центр возникает лишь при столкновении катализатора с реагентом.

«Наше новое понимание дало нам новые ориентиры для разработки более эффективных катализаторов. Одним из таких способов является использование атома одного металла в качестве каталитического сайта в противовес нескольким сотням атомов металла, прилипших друг к другу. Участие каждого атома металла в реакции позволит нам максимизировать эффективность катализатора», — объяснил Николас Нельсон, научный сотрудник PNNL и первый автор исследовательской статьи.

Создание более быстрых и стабильных катализаторов, используемых в конверсии водяного газа, будет означать повышение эффективность промышленного производства ингредиентов для сельскохозяйственных удобрений, таких как аммиак, а также различных видов топлива, включая углеводороды, метанол и водород.

«Открытие также может привести к большему распространению технологии топливных элементов в энергетическом секторе, что поможет снизить выбросы транспорта и диверсифицировать наш энергетический портфель», — добавил ученый.

Это открытие стало кульминацией более чем двух лет экспериментов, производимых в PNNL, в результате которых был определен ключевой интермедиат, участвующий в реакции конверсии водяного газа. Наличие интермедиата, называемого карбоксилом, было предсказано еще 10 лет назад, однако экспериментально он был обнаружен лишь сейчас. Это открытие изменит взгляд ученых на взаимодействие водорода и одноатомных катализаторов.

Источник: Phys.org