Размещение протонов в нужном месте катализатора делает его более эффективным

Источник: phys.org

К такому выводу пришли исследователи Тихоокеанской Северозападной Национальной лаборатории (США), изучив популярный никелевый катализатор. Соединение способно либо разделять водород на два атома, либо захватывать два протона и формировать молекулярный водород. Данные реакции лежат в основе целого ряда энергетических проблем, включая работу топливных элементов и производство удобрений. К примеру, на добавление водорода к азоту для получения аммиака тратится около 1% энергии в мире. Никелевый катализатор является одним из самых быстрых инструментов для работы с водородом, но его эффективности все еще недостаточно, чтобы размещать его в топливных элементах. Для раскрытия полного потенциала, ученые решили найти все «узкие места» соединения и определить способы их исправления.

Катализатор имеет четыре гибких «руки», или лиганда, расположенных вокруг никелевого центра. Эти азотсодержащие лиганды могут складываться в три разных изомера, которые отличаются друг от друга положением азотно-водородной связи по отношению к никелевому центру. Изомер, обозначаемый как эндо-эндо форма, работает быстрее всех. Изомер эндо-экзо работает намного медленнее, а вариант экзо-экзо является самым неэффективным. Скорость реакции меняется от долей секунды до нескольких дней. Доктор Молли О'Хаган, доктор Венди Шоу и доктор Симон Руже попытались узнать, как протоны двигаются по лигандам катализатора в зависимости от изомера. Ученые проводили эксперименты с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса, а также вычисляли условия, которые сохраняют катализатор в менее продуктивных вариантах изомеров.

Оказалось, что первоначально протоны предпочитали быть расположенными вдали от никеля. Перемещение их к центру занимало несколько шагов химической реакции и требовало значительной энергии. Попытавшись запустить реакцию в обратном направлении, исследователи выяснили, что удалить протоны, находящиеся вблизи от никеля, еще сложнее. Как отмечает доктор Руже, доставка протонов играет ключевую роль в эффективности катализа. Изомер эндо-эндо является самым быстрым, так как в нем протоны находятся ближе всего к центру, и на их перемещение не тратится время и энергия. Если удается избежать формирования двух отвлекающих изомеров, реакция может проходить в 10 раз быстрее.

Рисунок: pubs.acs.org

DOI: 10.1021/ja307413x.