Ett team från University of Minnesota och University of Houston har direkt mätt små elektronandelar i katalytiska processer och löst ett hundraårigt pussel. Deras nya teknik, kallad Isopotential Electron Titration (IET), avslöjar hur molekyler interagerar med ädelmetaller som guld, silver och platina. Resultaten, publicerade i ACS Central Science, kan påskynda utvecklingen av effektiva katalysatorer för energi och tillverkning.
Katalysatorer är vitala i industrier som läkemedel, batterier och oljeraffinaderi, där de sänker energibehoven för kemiska reaktioner för att förbättra hastighet och effektivitet. I över 100 år har forskare vetat att molekyler byter ut små elektronportioner med metallytor under katalys, men direkt mätning av dessa bråk har varit undanglidande.
Genombrottet kom från forskare vid University of Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering och University of Houstons Cullen College of Engineering. Med IET kvantifierade de elektron delning på katalytiska ytor under relevanta förhållanden. Denna metod ger precisa data om bindning, till skillnad från tidigare indirekta tillvägagångssätt i idealiserade miljöer.
"Att mäta bråk av en elektron på dessa otroligt små skalor ger den tydligaste bilden hittills av molekylers beteende på katalysatorer," sade Justin Hopkins, doktorand i kemiteknik vid University of Minnesota och huvudförfattare. Ädelmetaller utmärker sig eftersom de möjliggör optimal elektronöverföring, vilket låter molekyler binda och reagera effektivt.
Till exempel delar en väteatom på platinan bara 0,2 % av en elektron, en minimal mängd som underlättar industriella reaktioner. "IET gjorde det möjligt för oss att mäta den del av en elektron som delas med en katalytisk yta på nivåer under till och med en procent, som fallet med en väteatom på platinan," förklarade Omar Abdelrahman, korresponderande författare och associate professor vid University of Houstons William A. Brookshire Department of Chemical and Biomolecular Engineering.
Detta arbete härrör från Center for Programmable Energy Catalysis, startat 2022 som en del av U.S. Department of Energys Energy Frontier Research Centers. Centret fokuserar på avancerade dynamiska katalysatorer för material, kemikalier och bränslen. "Grunden för nya katalytiska teknologier för industrin har alltid varit grundläggande basforskning," noterade Paul Dauenhauer, centrets direktör och distinguished professor vid University of Minnesota. "Denna nya upptäckt av fraktionerad elektrondistribution etablerar en helt ny vetenskaplig grund för att förstå katalysatorer som vi tror kommer att driva nya energiteknologier under de kommande decennierna."
IET kompletterar nanoteknik och maskininlärning i katalysatordesign, vilket möjliggör snabbare identifiering av lovande material.