Wpływ wody na aktywność katalizatorów

Nanotechnologia - tania i czysta woda

Niektóre materiały o właściwościach katalitycznych działają efektywniej w środowisku wodnym niż w fazie gazowej. Dotąd nie była znana do końca przyczyna tego zjawiska. Chemicy z Uniwersytetu Ruhry w Bochum postanowili spróbować wyjaśnić to za pomocą komputerowych symulacji. Pierwsze wnioski są takie, że woda stabilizuje pewne stany ładunków elektrycznych na powierzchni katalizatora. Opisano je w czasopismach Physical Review Letters i Journal of Physical Chemistry Letters.

W katalizie heterogenicznej mamy do czynienia z substancjami będącymi w dwóch fazach, zwykle stałej i gazowej. Reakcje chemiczne przebiegają szybciej na granicach tych faz, gdy fazą stałą jest katalizator. Takich katalizatorów używa się powszechnie w przemyśle m.in. do przekształcania alkoholi w aldehydy. Przykładem takiego katalizatora jest tlenek tytanu z umieszczonymi na jego powierzchni cząstkami złota. Woda jako druga faza ma kilka zalet w porównaniu do gazu – zamiast szkodliwych utleniaczy stosowanych w utlenianiu alkoholi można użyć atmosferycznego tlenu, ponadto reakcja odbywa się z dużą wydajnością w stosunkowo niskiej temperaturze.

Chemicy-teoretycy przeanalizowali, co się dzieje podczas katalizy na poziomie molekularnym, stosując dynamiczne symulacje molekularne. Zaobserwowali, że przeniesienie ładunku ma miejsce pomiędzy cząsteczką wody a katalizatorem, elektrony, a precyzyjniej obszary o zwiększonej gęstości elektronowej, są przenoszone pomiędzy stałą i ciekłą fazą. Naukowcy sądzą, że w ten sposób ciekła faza stabilizuje stany ładunku na powierzchni złota i miejsca, gdzie się pojawia, są aktywnymi katalitycznie centrami, gdzie reakcje zachodzą najefektywniej. Taka stabilizacja ładunku nie jest możliwa w fazie gazowej.

W innej pracy naukowej ten sam zespół naukowców użył symulacji komputerowych do pokazania zależności między fazą stałą i gazową w reakcjach syntezy metanolu z użyciem katalizatora w układzie metal (miedź) / tlenek metalu (tlenek cynku). Okazało się, że w zależności od ciśnienia i temperatury wodór przyłącza się z różnym stopniu do powierzchni katalizatora i pośrednio stabilizuje centra katalityczne wpływając na przeniesienie ładunku pomiędzy metalem i tlenkiem.

Obie te prace pokazują, że efektywność katalityczna może być kontrolowana zarówno przez rozpuszczalnik, jak i przez czynniki termodynamiczne takie, jak ciśnienie i temperatura. Za efektywność odpowiadają tutaj dwa odmienne mechanizmy, jednak dzięki symulacjom komputerowym można je porównywać i pracować efektywniej nad nowymi technologiami chemicznymi.

(pj)