Команда исследователей из Университета штата Вашингтон и Тихоокеанской северо-Западной национальной лаборатории Министерства энергетики США (PNNL) использовала новый метод зондирования для изучения поверхности железа при воздействии кислорода, чтобы выяснить, что заставляет один катализатор работать лучше другого. О работе сообщается в журнале Angewandte Chemie. В конечном итоге это могло бы помочь инженерам лучше настраивать реакции и разрабатывать новые катализаторы, которые не зависят от дорогих драгоценных и редкоземельных металлов при производстве многих повседневных продуктов.

"По сути, этот метод следующего поколения позволяет нам наблюдать за реакциями в режиме реального времени, будучи химически осведомленными о том, что происходит", - сказал Жан-Сабин Макьюэн, профессор Школы химической инженерии и биоинженерии Джина и Линды Войланд и автор-корреспондент работы.

По словам Макьюэна, занимающего совместную должность в PNNL, во многих реакциях, используемых для создания повседневных продуктов питания, лекарств, пластмасс, химикатов и топлива, промышленность в значительной степени полагается на прошлый опыт и общепринятые практики. Каталитические процессы, реакции для получения повседневных продуктов, во многих случаях сложны и плохо изучены, и исследователи часто разрабатывают катализаторы, имея лишь ограниченное представление об их основных механизмах.

"Мы пытаемся развить некоторое базовое понимание, которое поможет нам более эффективно подходить к разработке таких материалов или систем", - сказал Даниэль Переа, соавтор и специалист по материаловедению из PNNL. "Мы хотим производить новые виды химикатов более эффективно, а не просто по принципу "готовь и смотри"".

Железо является особенно важным элементом, который в конечном итоге может быть использован промышленностью для преобразования биотоплива, получаемого из растительного сырья, в пригодное для использования биотопливо. Его много, он недорогой и может эффективно удалять кислород из био-масла для производства биотоплива. Однако он также легко вступает в реакцию с кислородом, что приводит к окислению или ржавлению, что останавливает реакцию. Исследователи обнаружили, что применение электрического поля к поверхности катализатора может смягчить окисление, создавая оптимальную среду для продолжения реакции без дезактивации.

"Вы хотите, чтобы это было реактивно, но не слишком реактивно. Это как правило Златовласки - ты хочешь чего-то в самый раз", - сказал Макьюэн.

Используя новый метод зондирования поверхности железа, исследователи смогли увидеть, насколько сильно окислилось железо, какие поверхности кристаллов работают лучше всего и как электрические поля влияют на реакцию.

"Мы можем наблюдать все различные виды поверхностей, которые могут быть на одном каталитическом зерне, в режиме реального времени, так что это гораздо более реалистично при моделировании того, что мы увидели бы в реальной жизни на реальном катализаторе", - сказал Макьюэн.

Поскольку сам метод атомного зондирования требует использования электрического поля, исследователи поняли, что они могут использовать электрическое поле не только для получения изображений, но и для контроля количества ржавчины, которая образуется на его поверхности.

"Мы превратили этот инструмент в инструмент, позволяющий нам наблюдать за динамикой реакции", - сказал Переа. "Мы закладываем фундамент для того, чтобы иметь возможность продвигать науку вперед. Но в то же время мы уделяем особое внимание инженерным приложениям".

Исследованием руководили ученый из PNNL Стен Ламбитс и аспиранты WSU Насиха Кардуэлл и Айзек Оньянго. Работа финансировалась Программой катализа Министерства энергетики США, Управлением фундаментальных энергетических наук, Отделом химических наук, биологических наук и наук о земле и программой лабораторных исследований и разработок PNNL.