來自明尼蘇達大學雙城科學與工程學院和休斯頓大學卡倫工程學院的研究小組成功識別和測量了催化劑生產中涉及的電子比例。
研究結果發表在開放獲取期刊上。 美國化學學會中央科學中心解釋為什麼金、銀和鉑等貴金屬在催化過程中表現出色。結果還指出了新的可能性。先進催化材料的設計
為什麼催化劑在現代工業中很重要？
工業催化劑 – 減少給定化學反應所需能量的物質 – 幫助製造商提高反應速度、產量或生產母材的效率。他們在各個領域發揮著重要作用。從藥品和電池到原油精煉等石化業務。幫助生產系統滿足全球需求
提高催化劑可靠性和調節速度已成為大型燃料、化學品和材料行業的重點。隨著這些行業的擴張，全球範圍內開發更高效、更低成本的催化劑系統的競賽正在加劇。
發現分子如何與金屬共享電子
當分子遇到催化劑表面時，它們與金屬交換部分電子。 （在這種情況下，是金、銀或鉑。）該反應暫時穩定了分子。結果，反應可以繼續進行。一百多年來，科學家們一直懷疑這種行為，但所涉及的電子的一小部分從未被直接測量過。
明尼蘇達大學可編程能量催化中心的研究人員表明，可以使用他們創建的等指數電子滴定（IET）技術直接測量這種電子共享
更清晰地了解催化劑行為
“在如此令人難以置信的小尺度上測量電子的分數，”明尼蘇達大學化學工程博士賈斯汀霍普金斯說。該研究的學生和主要作者說，這提供了催化劑上分子行為的最清晰視圖。 “過去，催化劑工程師更多地依賴在正確條件下的間接測量來了解表面上的分子。相反，這種新的測量方法提供了與催化相關的條件下表面鍵的具體描述。”
準確了解催化劑表面發生了多少電子轉移對於了解電子的工作效率非常重要。更容易共享電子的分子往往結合更牢固並且更容易反應。貴金屬實現了驅動催化反應所需的最佳電子共享水平。但直到現在，這種共享的精確程度還從未被直接捕捉到。
IET 是 Catalyst Discovery 的新工具。
IET 技術現在可用於直接描述和比較新的催化劑配方。它可以幫助研究人員更快地識別潛在材料。
休斯頓大學卡倫工程學院威廉·A·布魯克希爾化學與生物分子工程系的通訊作者兼副教授奧馬爾·阿卜杜拉赫曼 (Omar Abdelrahman) 表示：“IET 使我們能夠測量與催化劑表面共享的電子比例，其水平低於 1%，例如鉑上氫原子的情況。“當與鉑催化劑結合時，氫原子僅放棄 0.2% 的電子。但只有一小部分氫氣可以發生反應來生產工業化學品。 ”
納米技術連接機器學習和催化
用於製造催化劑的納米技術快速發展，這與可以搜索和分析海量數據集的機器學習工具相結合。 IET 擴展了已知催化劑材料的目錄，提供了第三種補充方法，允許研究人員在基本電子水平上直接探測催化劑行為。
明尼蘇達大學傑出教授兼可編程能源催化劑中心主任 Paul Dauenhauer 表示：“工業新催化劑技術的基礎始終是基礎研究。” “分數電子分佈的這一新發現為理解催化劑奠定了全新的科學基礎，我們相信催化劑將在未來幾十年推動新能源技術的發展。”
更大的國家計劃的一部分
這些發現支持可編程能源催化中心更廣泛的使命。它是美國能源部能源前沿研究中心之一。自 2022 年成立以來，該中心一直致力於開發下一代催化劑技術，旨在通過先進的動態催化劑系統生產材料、化學品和燃料。
