21.05.2012

Вода ускоряет реакции гидрирования и гидрогенолиза, устраняя потребность в нагреве

Международная научная группа нашла теоретическое обоснование того, что добавление следов воды способно чрезвычайно резко увеличить скорость таких химических реакций, в которых одним из реагентов является водород, — к примеру, реакции гидрирования и гидрогенолиза. Разумное применение воды в качестве сокатализатора позволит избежать использования затратного нагревания для достижения того же эффекта.

Работа проводилась под руководством Маноса Маврикакиса из Университета Висконсина в Мэдисоне (США) и Флеминга Бесенбахера из Университета Орхуса (Дания), а полученные результаты опубликованы в журнале Science.

Гидрированин и гидрогенолиз используются абсолютно во всех ключевых секторах промышленности, включая нефтехимическую, фармацевтическую, пищевую и сельскохозяйственную индустрии. И самым важным фактором в этих реакциях является скорость, с которой водород диффундирует на поверхности катализатора, что во многом и определяет динамичность всего производственного процесса.

Многие исследователи давно отмечали интересный факт: присутствие в реакционной смеси воды способно значительно увеличить скорость химических реакций, в которых водород выступает в качестве одного из реагентов. Тем не менее до сих пор никто даже не пытался дать этому теоретическое объяснение или найти эффекту рациональное применение. С присутствием воды в реакторе продолжали бороться.

Авторы рассматриваемой работы решили повнимательнее присмотреться к оксидам металлов — классу материалов, чаще всего используемых в качестве катализаторов в реакциях гидрирования и гидрогенолиза. Сразу же удалось установить, что даже следовые количества влаги способны ускорять диффузию водорода на оксиде железа на 16 порядков величины. Другими словами, в присутствии следов воды водород диффундирует на поверхности оксида металлов в 10 000 триллионов раз быстрее, чем в абсолютно сухих условиях, когда разумная скорость диффузии достигается только при помощи нагревания. К счастью, в распоряжении американских и датских учёных оказался самый быстрый в мире туннельный сканирующий микроскоп с разрешением, равным размеру атома. С его помощью удалось рассмотреть то, как быстро водород диффундирует вдоль поверхности оксида железа в присутствии воды.

Для объяснения фундаментального механизма, лежащего в основе наблюдаемого явления, исследователи обратились к помощи квантовомеханических расчётов и компьютерным вычислениям с массовым параллелизмом. Как оказалось, в присутствии воды водород диффундирует через механизм «протонного трансфера», в котором атомы водорода с поверхности оксида металла «прыгают» на расположенные рядом молекулы воды, образуя ион гидроксония, который затем возвращает свой лишний протон назад на оксидную поверхность, восстанавливая молекулу воды. Именно этот вновь и вновь повторяющийся процесс и обеспечивает быструю диффузию атомов водорода на оксидной поверхности.

Подготовлено по материалам Университета Висконсина в Мэдисоне.

Роман Иванов

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА