Georgia State University kemiforskare har avslöjat ett av mysterierna med katalytiska reaktioner i mikroskopisk skala, möjliggör design av mer effektiva industriella processer.

Katalysatorer – som påskyndar kemiska reaktioner i allt från rötning av mat till förbränningsmotorer i fordon – är avgörande för att förvandla råvaror till användbara produkter i industrier, inklusive petroleum, plast, papper, läkemedel och bryggning. Att förstå hur reaktioner uppstår kan hjälpa forskare att konstruera bättre katalysatorer som är mer energibesparande och miljömässigt hållbara.

Forskarna etablerade en ny avbildningsstrategi som kan spåra enstaka molekyler när de glider genom små porer i skalen på kiseldioxidsfärer och övervakar den kemiska reaktionsdynamiken på katalytiska centra i kärnan, producerar de första kvantitativa mätningarna av hur inneslutning på en nanoskala faktiskt påskyndar katalytiska reaktioner.

Att förstå denna överraskande "nanoinneslutningseffekt" kan hjälpa till att styra precisionsdesignen av effektivare industriella katalysatorer som kan spara energi.

"Du vill göra en specifik produkt och du kan välja mellan olika porösa material som kan göra olika saker. Vilket ger dig den bästa konverteringsgraden och högsta hastigheten?" sa Ning Fang, docent i kemi vid Georgia State, som publicerade resultaten av forskningen i Naturkommunikation . "Nu har vi en teori baserad på experimentella bevis som vi lägger till simuleringar för att få en bättre förutsägelse av vad som kan bli resultatet av att använda vissa katalysatorer."

Studie av katalytiska reaktioner var tidigare begränsad till teoretiska och beräkningsmodeller. Det enmolekylära avbildningssystemet, designad av Georgia State postdoktorala forskningsassistent Bin Dong och publicerad i Naturkatalys , låter forskare för första gången se och mäta reaktionerna som sker på en liten porös sfär i flera lager skapad av medarbetare vid Iowa State University under ledning av professor Wenyu Huang och postdoktoral forskarassistent Yuchen Pei.

Reaktantmolekylerna måste orientera sig i en specifik riktning för att passa genom nanoporer - öppningar som är ungefär 100 gånger mindre än bredden på ett hårstrå. Nanoporerna är jämförbara i diameter med storleken på reaktantmolekylen och när dess spets når den aktiva kärnan, det utlöser omedelbart det första steget i reaktionen vid kontakt. Den genererade mellanprodukten, dock, fångas av nanoporen när reaktionen fortsätter genom tre steg för att bilda den slutliga produktmolekylen.

I motsats till konventionell teori, denna "nanoporösa barriär" påskyndar reaktionen istället för att sakta ner den, baserat på Fangs experimentella mätning av aktiveringsenergi. Trots att molekylär rörelse begränsas av närvaron av ett poröst skal, processen förstoras faktiskt av inneslutningen, studien fann.

"Instinktivt, man skulle förvänta sig en minskande aktivitet när katalytiska centra skyddas bort från reaktantmolekyler av ett nanoporöst skal, " sa Fang. "Men, våra experimentella bevis berättar en annan historia. Och mer överraskande, de katalytiska aktiviteterna förstärks ytterligare för katalysatorer med längre och smalare nanoporstrukturer tills fördelarna med nanoinneslutning överträffas av den begränsade molekylära transporten i det nanoporösa skalet."

Denna upptäckt kan få stora konsekvenser för konstruktionen av nya katalysatorer. Till exempel, motsvarande mer än 500 miljoner fat bensin används varje år för att omvandla etan och propan till alkener som används för att tillverka plast, tvättmedel och andra produkter. Att använda mer effektiva katalysatorer i stor skala kan spara mycket energi i processen.