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如何寻找好的催化剂

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-11-09  浏览次数:6
核心提示:具有良好润湿性的材料,如左图所示,液滴呈平摊分布,表面容易附着羟基,从而抑制催化活性。如右图所示,拒水的材料,液滴形成尖

具有良好润湿性的材料,如左图所示,液滴呈平摊分布,表面容易附着羟基,从而抑制催化活性。如右图所示,拒水的材料,液滴形成尖锐陡峭的边界,更有利于催化活性,如小的橙色分子之间的反应所示。信用:王小仁肖
材料表面发生了两种关键的物理现象:催化和润湿。催化剂能提高化学反应的速率;润湿是指液体如何在表面扩散。

 

如今,麻省理工学院(MIT)和其他机构的研究人员发现,这两个曾经被认为无关的过程实际上是紧密相连的。除了其他潜在的好处外,这一发现还可以使人们更容易地为特定的应用找到新的催化剂。


“真正令人兴奋的是,我们已经能够将表面上的水和氧化物的原子水平相互作用与宏观的润湿性测量联系起来,无论是疏水的还是亲水性的,并将其与催化性能直接联系起来,”杨绍霍恩说。高家俊凯克麻省理工学院能源教授和资深作者的一篇论文描述物理化学的研究结果在《c的研究专注于感兴趣的一种叫钙钛矿氧化物的应用,如气体传感、水净化、电池和燃料电池。


由于测定表面的润湿性“非常简单”,资深作者克里帕·瓦拉纳西(Kripa Varanasi)说,他是一名机械工程副教授,现在这种测定可以用来预测材料作为催化剂的适用性。瓦拉纳西说,由于研究人员倾向于专攻润湿性或催化性,这就为这两个领域的研究人员合作促进理解提供了一个框架。瓦拉纳西的研究主要集中在润湿性方面;邵霍恩是催化反应方面的专家。


瓦拉纳西说:“我们展示了润湿和催化这两种表面现象是如何相关的,以及电子结构是如何在两者之间形成联系的。”


虽然这两种效应在各种工业过程中都很重要,并且一直是许多实证研究的主题,“在分子水平上,我们对界面上发生的事情知之甚少,”绍霍恩说。“这是向前迈出的一步,提供了分子层面的理解。”


麻省理工学院研究生、论文主要作者凯尔西•斯托尔辛格(Kelsey Stoerzinger)解释说,“这主要是一种实验技术”,使新的理解成为可能。虽然大多数研究这种表面科学的尝试都使用需要真空的仪器,但这个团队使用了一种设备,可以研究在潮湿空气中、在室温下以及存在不同程度水蒸气的情况下的反应。她说,使用这种被称为环境压力x射线光电子能谱学的实验表明,与水的反应性是整个过程的关键。


水分子分裂成羟基——一个氧原子和一个氢原子结合在材料表面。这些反应性化合物反过来又负责增加表面的润湿性,同时抑制其催化化学反应的能力。因此,研究小组发现,对于需要高催化活性的应用,一个关键的要求是表面是疏水的,或非湿润的。


“理想情况下,这种理解有助于我们设计新的催化剂,”斯托辛格说。如果一种材料“对水的亲和力较低,那么它对催化活性的亲和力就更高。”


绍霍恩指出,这只是一个初步的发现,“要将这些趋势推广到更广泛的材料和羟基亲合力范围,还需要进一步的研究。”研究小组已经开始进一步探索这些领域。她说,这项研究为催化和润湿提供了“材料和表面的空间”。


 
 
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