Auf der Suche nach perfekter Chemie - eine Vision zur Vereinheitlichung der Katalyse

Paradise or Oblivion (The Venus Project) (Juni 2019).

Anonim

In vielen Industrieprozessen, die die Produktion von Kraftstoffen, Düngemitteln und Nahrungsmitteln fördern, sind in der chemischen Industrie, die Katalysatoren genannt werden, mehrere Forschungsfelder im Gange. Diese Forschungsanstrengungen haben nützlichere Katalysatoren entwickelt, die chemische Reaktionen beschleunigen und die Reaktionen effizienter machen, ohne dabei verbraucht zu werden.

Jetzt besteht ein wachsendes Interesse daran, die Forschungsanstrengungen in diesen Bereichen zu koordinieren, um neue, hybride Katalysatoren mit verbesserter Leistung zu entwickeln, sagte Gabor Somorjai, leitender Wissenschaftler in der Abteilung Materialwissenschaften am Lawrence Berkeley National Laboratory des US Department of Energy (Berkeley Lab) und Chemieprofessor an der UC Berkeley.

Somorjai, Autor von mehr als 1.000 Zeitschriftenartikeln, die sich mit Katalyse und insbesondere der Chemie an der Oberfläche von Metallen beschäftigen, legt in einem Artikel, der in diesem Monat in der Fachzeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht wurde, den Ausschlag für neue Formen der Hybridkatalyse. Somorjai hat auch vier Lehrbücher zur Oberflächenchemie geschrieben.

"Versuchen wir, die Ergebnisse dieser Felder auf neue Weise zu kombinieren", sagte Somorjai. "Es scheint offensichtlich, dass dies die Evolution des Feldes sein wird." Der Beitrag erkennt einige bereits veröffentlichte Studien zu Hybridkatalysatoren an und fordert mehr Fortschritte.

Rong "Rocky" Ye, der Hauptautor der Zeitung, sagte: "Unser Papier stellt das Konzept der Hybridkatalysatoren systematisch und umfassend vor, so dass mehr Forscher die Möglichkeiten in Forschungsrichtungen und Kooperationen kennenlernen können." Ye ist ein ehemaliger Doktorand am Berkeley Lab und an der UC Berkeley, der jetzt Postdoc-Fellow an der Cornell University ist.

Die drei allgemeinen Arten der Katalyseforschung werden gemäß dem perspektivischen Artikel oft wie folgt kategorisiert:

  • Homogene Katalysatoren, die typischerweise in der gleichen Phase der Materie (meistens eine Flüssigkeit oder ein Gas) als der Reaktant arbeiten. Ein Reaktant ist eine Substanz, die an einer chemischen Reaktion teilnimmt und durch die Reaktion verändert wird.
  • Heterogene Katalysatoren, die in einer anderen Phase der Materie als die Reaktanden arbeiten. Dieser Katalysatortyp kann sich an der äußeren oder inneren Oberfläche von dichten oder porösen Festkörpern befinden, wobei der Gegenstand an der Oberfläche von Materialien haftet, beispielsweise in Form von Metallkristallen oder Nanopartikeln.
  • Enzym-Katalysatoren, bei denen es sich um 3-D-biologische Moleküle handelt, die von Aminosäuren abgeleitet sind. Enzyme werden typischerweise in eine Flüssigkeit eingetaucht.
  • Die Erzeugung von Hybridkatalysatoren durch Mischen verschiedener Arten von Katalysatoren und Reaktanten "kann größer sein als die Summe ihrer Teile

    .

    Die von Somorjai und vier weiteren Forschern von Berkeley Lab und UC Berkeley verfasste Perspektive listet 17 chemische Prozesse auf, die durch Katalysatoren in jeder der oben genannten Kategorien beschleunigt werden können.

"Wenn wir versuchen zu hybridisieren, können wir möglicherweise die Reaktionsgeschwindigkeit oder die Selektivität für neue Produkte beschleunigen", sagte Somorjai.

Dies könnte neue Wege für die Entwicklung langlebiger Batterien und kostengünstigerer Medikamente eröffnen, sagte er.

Somorjais Forschungsgruppe hat bereits Wege gefunden, "homogene Katalyse zu heterogenisieren", indem sie Katalysatoren, die typischerweise in einer Flüssigkeit gelöst sind, anbinden, verpflanzen oder einfangen. Dies kann die Reaktionsprozesse längerfristig stabilisieren, den Abfall reduzieren und die Wiederverwendung der Katalysatoren verbessern, heißt es in der Perspektive.

Es gibt jedoch Herausforderungen, zum Beispiel zu verhindern, dass Metalle im Laufe der Zeit auslaugen, und alle Komponenten und Bedingungen zu optimieren, um die überlegene Leistung solcher Hybride zu garantieren.

Somorjais Team arbeitet derzeit an der Entwicklung hybrider Ansätze mit Enzymkatalysatoren.

"Lass uns versuchen, sie zu kombinieren und zu sehen, was wir bekommen - vielleicht wird es etwas Einzigartiges sein", sagte Somorjai. "Es scheint offensichtlich, dass dies die Entwicklung des Katalysebereichs sein wird."

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