Zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) dokonał przełomowego odkrycia, które może zmienić losy przemysłowej produkcji środków chemicznych. Przykładając niewielkie napięcie elektryczne, udało im się przyspieszyć niektóre reakcje chemiczne nawet 100 000 razy. Ta innowacja, która koncentruje się na wzmocnieniu reakcji innych niż redoks – reakcji, które nie wymagają przeniesienia elektronów między cząsteczkami – poprzez manipulację środowiskiem elektrostatycznym katalizatora, została opublikowana w czasopiśmie Science.
Wyniki są uderzające. Wzrost szybkości tej wielkości obserwowano już wcześniej, ale w innej klasie reakcji katalitycznych, które obejmują wzmocnienie lub utratę elektronu. Dramatycznie zwiększone współczynniki odnotowane w nowym badaniu nigdy nie zaobserwowano w przypadku reakcji, które nie obejmują utleniania lub redukcji. Prof. Yogesh Surendranath z MIT
Prąd przyspieszy reakcje chemiczne nawet 100 tysięcy razy
Istota tego odkrycia leży w zrozumieniu, że środowisko elektrostatyczne katalizatora może znacząco wpływać na szybkość reakcji chemicznych. Tradycyjnie w dziedzinie katalizy dominowały metody elektrochemiczne, które obejmują bezpośredni transfer elektronów, lub metody termochemiczne, które wykorzystują ciepło do napędzania reakcji. Teraz naukowcy MIT postanowili wypełnić lukę między tymi dwoma dziedzinami i wykazali, że małe napięcie zewnętrzne może znacząco zwiększyć wydajność katalizowanych kwasem reakcji nieredoks.
Czytaj też: To nie magia, a czysta chemia. Stworzono katalizator, który zamienia amoniak w paliwo wodorowe
Technika zastosowana w nowym badaniu, polegająca na przyłożeniu małego napięcia zewnętrznego, jest powszechnie znana w społeczności badaczy elektrochemii. Nie stosowano jej jednak systematycznie w reakcjach termochemicznych katalizowanych kwasem. Badacze pracujący nad katalizą termochemiczną zwykle nie biorą pod uwagę roli potencjału elektrochemicznego na powierzchni katalizatora i często brakuje im odpowiednich narzędzi do jego pomiaru. Z przeprowadzonych badań wynika, że nawet niewielkie zmiany potencjału elektrochemicznego mogą mieć znaczący wpływ na reakcje katalizowane na powierzchni katalizatora.
Energia wiązania chemicznego cząsteczek z miejscami aktywnymi na powierzchni wpływa na energię potrzebną do reakcji. Jednak ostatnie badania sugerują, że środowisko elektrostatyczne jest równie ważne przy określaniu szybkości reakcji. Zespół złożył wniosek patentowy i pracuje nad zastosowaniem ustaleń do konkretnych procesów chemicznych. Można projektować i rozwijać różne typy reaktorów, aby wykorzystać tę strategię, choć na razie nie wiadomo jak ze skalowalnością tych projektów.
Czytaj też: Urządzenie o grubości liczonej w atomach. Jak chemia umożliwiła stworzenie elektroniki?
W dotychczas przeprowadzonych eksperymentach wykorzystano dwuwymiarowe elektrody planarne, w warunkach przemysłowych większość reakcji przeprowadza się w trójwymiarowych naczyniach wypełnionych proszkami. Dzieje się tak dlatego, że użycie proszków zapewnia znacznie większą powierzchnię rozprowadzania katalizatorów, co pozwala na bardziej wydajne i skuteczne reakcje.
Nowe odkrycia tworzą kuszące możliwości: czy jest to zjawisko bardziej ogólne? Czy potencjał elektrochemiczny odgrywa kluczową rolę także w innych klasach reakcji? Naszym zdaniem zmienia to sposób, w jaki myślimy o projektowaniu katalizatorów i promowaniu ich reaktywności. Prof. Yogesh Surendranath
Odkrycia mogą prowadzić do znacznie wydajniejszej produkcji szerokiej gamy materiałów chemicznych. Buduje to bardziej całościowy obraz działania reakcji katalitycznych na granicy faz, niezależnie od tego, czy zaliczymy je do kategorii reakcji elektrochemicznych, czy termochemicznych.
