|
Найдено теоретическое обоснование эффекта, при котором добавление воды резко увеличивает скорость химических реакций, где в качестве одного из реагентов выступает водород. Разумное применении воды позволит промышленности избежать использования затратного нагревания для достижения того же эффекта.
Международная научная группа нашла теоретическое обоснование того, что добавление следов воды способно чрезвычайно резко увеличить скорость таких химических реакций, в которых одним из реагентов является водород, - к примеру, реакции гидрирования и гидрогенолиза. Разумное применении воды в качестве сокатализатора позволит избежать использования затратного нагревания для достижения того же эффекта.
Работа проводилась под руководством Маноса Маврикакиса из Университета Висконсин - Мэдисон (США) и Флеминга Бесенбахера из Университета Орхуса (Дания), а полученные результаты опубликованы в журнале Science.
Гидрированин и гидрогенолиз используются абсолютно во всех ключевых секторах промышленности, включая нефтехимическую, фармацевтическую, пищевую и сельскохозяйственную индустрии. И самым важным фактором в этих реакциях является скорость, с которой водород диффундирует на поверхности катализатора, что во многом и определяет динамичность всего производственного процесса.
Многие исследователи давно отмечали интересный факт: присутствие в реакционной смеси воды способно значительно увеличить скорость химических реакций, в которых водород выступает в качестве одного из реагентов. Тем не менее до сих пор никто даже не пытался дать этому теоретическое объяснение или найти этому эффекту рациональное применение. С присутствием воды в реакторе продолжали бороться.
Авторы рассматриваемой работы решили повнимательнее присмотреться к оксидам металлов, классу материалов чаще всего используемых в качестве катализаторов в реакциях гидрирования и гидрогенолиза. Сразу же удалось установить, что даже следовые количества влаги способны ускорять диффузию водорода на оксиде железа на 16 порядков величины. Другими словами, в присутствии следов воды водород диффундирует на поверхности оксида металлов в 10 000 триллионов раз быстрее, чем в абсолютно сухих условиях, когда разумная скорость диффузии достигается только при помощи нагревания. К счастью, в распоряжении американских и датских учёных оказался самый быстрый в мире туннельный сканирующий микроскоп с разрешением, равным размеру атома. С его помощью удалось рассмотреть то, как быстро водород диффундирует вдоль поверхности оксида железа в присутствии воды.
Для объяснения фундаментального механизма, лежащего в основе наблюдаемого явления, исследователи обратились к помощи квантовомеханических расчётов и компьютерным вычислениям с массовым параллелизмом. Как оказалось, в присутствии воды водород диффундирует через механизм протонного трансфера, в котором атомы водорода с поверхности оксида металла прыгают на расположенные рядом молекулы воды, образуя ион гидроксония, который затем возвращает свой лишний протон назад на оксидную поверхность, восстанавливая молекулу воды. Именно этот вновь и вновь повторяющийся процесс и обеспечивает быструю диффузию атомов водорода на оксидной поверхности.
Подготовлено по материалам Университета Висконсин - Мэдисон.
| |