ミネソタ大学とヒューストン大学のチームが、触媒プロセスにおける微小な電子分量を直接測定し、100年越しの謎を解明した。彼らの新手法「Isopotential Electron Titration (IET)」は、金、銀、白金などの貴金属と分子がどのように相互作用するかを明らかにする。ACS Central Scienceに掲載された発見は、エネルギーおよび製造業向け効率的な触媒開発を加速させる可能性がある。
触媒は、医薬品、バッテリー、石油精製などの産業で不可欠であり、化学反応のエネルギー需要を低減して速度と効率を向上させる。100年以上にわたり、科学者たちは触媒作用中に分子が金属表面と微小な電子部分を交換することを知っていたが、これらの分率の直接測定は困難だった。
画期的な成果は、ミネソタ大学ツインシティーズ校のScience and Engineering Collegeとヒューストン大学のCullen College of Engineeringの研究者たちによるものだ。IETを用いて、関連条件下での触媒表面での電子共有を定量化した。この手法は、理想化された条件下での従来の間接的手法とは異なり、結合に関する正確なデータを供給する。
「これほど小さなスケールで電子の分率を測定することで、触媒上の分子の挙動についてこれまでで最も明確な見通しが得られた」と、ミネソタ大学化学工学博士課程の学生で主任著者のJustin Hopkins氏は述べた。貴金属が優れているのは、最適な電子伝達を可能にし、分子が効果的に結合・反応できるためだ。
例えば、白金上の水素原子は電子のわずか0.2%を共有し、この微量が産業反応を促進する。「IETにより、触媒表面と共有される電子の分率を1%未満のレベルで測定できた。例えば白金上の水素原子の場合だ」と、対応著者でヒューストン大学William A. Brookshire Department of Chemical and Biomolecular Engineeringの准教授Omar Abdelrahman氏は説明した。
この研究は、2022年に米国エネルギー省のEnergy Frontier Research Centersの一環として発足したCenter for Programmable Energy Catalysisに由来する。同センターは、材料、化学物質、燃料向けの先進的な動的触媒に焦点を当てる。「産業向け新触媒技術の基盤は常に基礎的な基礎研究だった」と、センター長でミネソタ大学特別教授のPaul Dauenhauer氏は指摘した。「電子分率分布というこの新発見は、触媒理解の全く新しい科学的基盤を確立し、数十年間にわたる新エネルギー技術を推進すると信じている。」
IETは、触媒設計におけるナノテクノロジーと機械学習を補完し、有望な材料の迅速な特定を可能にする。