一軸変形は不均一系触媒の効率を高めます

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ビデオ: 触媒 高校化学 均一系触媒 不均一系触媒 エンジョイケミストリー 123202 2022, 12月
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アメリカの化学者は、理論的モデリングを使用して、異方性変形のために不均一系触媒の効率を高めるメカニズムを説明しました。提案されたアプローチは、試薬と触媒複合体の初期状態のエネルギーを増加させると同時に、触媒反応の遷移状態のエネルギーを減少させることに基づいている、と科学者たちはNatureCatalysisに書いています。

不均一系触媒作用は、現代の化学産業(たとえば、燃料、医薬品、化粧品の製造)と日常生活(特に、触媒は自動車のコンバーターで使用される)の両方で使用される多くの反応を可能にします。通常、不均一系触媒の効率を高めるために、2つの主要なアプローチが使用されます。最適な化学組成の選択と必要な形状の検索です。現代の触媒作用において科学者が直面している課題と、それらがどのように解決されているかについては、英国の化学者GrahamHutchingsへのインタビューで詳しく読むことができます。しかし、科学者は、触媒の組成と構造を変更することに加えて、たとえば機械的変形の使用など、効率を高めるための他の方法を提案しています。

原則として、機械的方法によって触媒の特性を制御するために、2つの軸に沿った触媒の均一な変形を使用することが提案されました。しかし、アンドリューA.ピーターソンが率いるブラウン大学のアメリカ人化学者は、異方性変形がこのためのより効果的なツールである可能性があることを示しました。これを行うために、科学者たちは、触媒と反応物の間の変形と結合エネルギーを組み合わせた理論モデルを検討しました。

触媒の作用下での化学反応のプロセスを説明するほとんどのエネルギーモデルと同様に、科学者によって提案されたスキームは、反応の基本段階を、1つの中間段階を経て初期状態から最終状態に移行するプロセスとして表しています。より高いエネルギー。不均一系触媒作用の場合、各状態のエネルギーの推定は、3つの段階のそれぞれで触媒が物質に結合する力によって決定されます。これらの状態の吸着エネルギーを変えることにより、反応を遅くしたり速くしたりすることが可能です。

原則として、試薬分子をその表面に効果的に吸着することができるより活性な触媒の使用は、初期状態だけでなく、中間状態および最終状態のエネルギーの減少につながる。これは、反応の活性化エネルギーの値(中間状態と初期状態のエネルギーの差)がほぼ同じレベルのままであり、変化しても重要ではないという事実につながります。しかし、触媒の効率を実際に高めるには、活性化エネルギーを減らす必要があり、科学者はこれが一軸変形の助けを借りて正確に行うことができることを示しました。

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異方性圧縮下での触媒表面の変形のスキーム。これらの図は、機械的応力の変化に伴う初期(IS)状態と中間(TS)状態のエネルギーの変化の定性的な図を示しています。

研究者らは、銅触媒の表面へのCH2分子フラグメントの吸着と、プラチナ上の分子窒素へのアミノ基の酸化反応という2つのモデルシステムを検討しました。同時に、彼らは、初期分子の結合エネルギーと反応の中間状態が、変形中の試薬のさまざまな付着点でどのように変化するかを調べました。

分子の表面への付着点に応じて、機械的応力が結合の強度を増加または減少させる可能性があることが判明しました。これは、試薬分子が触媒表面の4つの原子の間の「穴」にある場合、それ自体が表面をわずかに変形させ、これらの原子をそれ自体に引き寄せるという事実によるものです。それが2つの触媒原子間の「ブリッジ」原子の形で結合する場合、逆に、それらを押し離します。

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試薬分子の触媒表面への2種類の付着

したがって、初期状態と中間状態の分子が触媒表面の異なる位置を占める場合、異方性の機械的応力により、一方の状態のエネルギーが増加し、もう一方の状態のエネルギーが減少する可能性があります。これは、例えば、圧縮が触媒結晶の主な方向の1つに沿って起こる一軸変形の場合に当てはまるであろう。この場合、逆に横方向にわずかに伸びます。各状態に適した結合点はその化学組成に依存するため、初期状態から遷移状態への遷移中に試薬分子に追加の原子が結合するか、複数の原子が接続することにより、これら2つの位置間の移動が可能になります。たとえば、アミノ基が分子状窒素に還元される場合に発生するように、原子は互いに結合します。

研究の著者は、彼らが検討したモデルが、異方性変形を使用していくつかの反応の触媒の効率を自然に高めることがどのように可能であるかを明確に示していると述べています。将来的には、これらの結果を使用して、使用する1種類の触媒に限定されない不均一系触媒作用の新しいシステムを開発することができます。

原則として、不均一系触媒作用に使用される材料の効率を高めるために、科学者は、材料の化学組成をわずかに変更するか、システム内の触媒分子と原子の新しいタイプの配置を探すことを提案します。たとえば、最近、水の光化学酸化の反応を実行するために、科学者は個々の原子の触媒の構造を変更し、それらの単一のイリジウム原子を原子のペアに置き換えることを提案しました。これは、材料の効率を大幅に向上させるのに役立ちました。

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