Учёные впервые измерили долю электрона, участвующую в катализе

Исследователи из Центра программируемой энергетической каталитики, базирующегося в Университете Миннесоты, показали, что распределение электронов в катализе можно напрямую измерить с помощью разработанной ими методики изопотенциальной электронной титрации (IET). Предоставлено: Центр программируемой энергетической каталитики.

Исследовательская группа из Университета Миннесоты и Хьюстонского университета впервые смогла идентифицировать и измерить долю электрона, участвующую в каталитических процессах.

Результаты, опубликованные в журнале ACS Central Science, объясняют, почему драгоценные металлы, такие как золото, серебро и платина, так эффективны в качестве катализаторов. Это открытие также открывает новые возможности для разработки передовых каталитических материалов.

Когда молекулы сталкиваются с каталитической поверхностью, они обмениваются частью своих электронов с металлом. Это взаимодействие временно стабилизирует молекулы, позволяя реакции протекать. Учёные подозревали о таком механизме более 100 лет, но крошечные доли электрона до сих пор не удавалось измерить напрямую.

Исследователи применили созданную ими методику изопотенциальной электронной титрации (IET), чтобы напрямую измерить это распределение электронов.

«Измерение долей электрона на этих невероятно малых масштабах даёт самое чёткое на сегодняшний день представление о поведении молекул на катализаторах», — заявил Джастин Хопкинс, ведущий автор исследования. «Эта новая методика измерений даёт осязаемое описание поверхностного связывания в условиях, релевантных для катализа».

Знание того, сколько именно электронного переноса происходит на поверхности катализатора, крайне важно для понимания его эффективности. Молекулы, которые легче отдают свои электроны, как правило, прочнее связываются и легче вступают в реакцию.

«IET позволила нам измерить долю электрона, которой молекула делится с поверхностью катализатора, на уровне даже менее одного процента, как в случае атома водорода на платине», — пояснил соавтор работы Омар Абдельрахман. «Атом водорода отдаёт всего 0,2% электрона при связывании на платиновых катализаторах, но именно этот небольшой процент делает возможной реакцию водорода в промышленном химическом производстве».

Методика IET может использоваться для прямого описания и сравнения новых каталитических формул, помогая исследователям быстрее находить перспективные материалы. Это открытие закладывает новую научную основу для понимания катализаторов, что, по мнению учёных, будет стимулировать развитие новых энергетических технологий в ближайшие десятилетия.