———–전자의 일부를 측정하여 깨뜨린 100년 된 촉매 퍼즐

오픈 액세스 저널에 게재된 그들의 연구 결과 ACS 중앙과학금, 은, 백금과 같은 귀금속이 촉매 공정에서 탁월한 이유를 설명합니다. 결과는 또한 고급 촉매 재료 설계에 대한 새로운 가능성을 제시합니다.

현대 산업에서 촉매가 중요한 이유

특정 화학 반응에 필요한 에너지 양을 줄이는 물질인 산업용 촉매는 제조업체가 주요 재료를 생산할 때 반응 속도, 수율 또는 효율성을 높이는 데 도움이 됩니다. 이는 제약 및 배터리부터 원유 정제와 같은 석유화학 작업에 이르기까지 다양한 분야에서 중요한 역할을 하며 생산 시스템이 글로벌 수요를 충족할 수 있도록 해줍니다.

촉매 속도, 신뢰성 및 제어를 개선하는 것은 대규모 연료, 화학 물질 및 재료 부문의 주요 목표가 되었습니다. 이러한 산업이 확장됨에 따라 보다 효율적이고 저렴한 촉매 시스템을 개발하려는 경쟁이 전 세계적으로 더욱 심화되었습니다.

분자가 금속과 전자를 공유하는 방법 발견

분자가 촉매 표면을 만나면 전자의 일부를 금속(이 경우 금, 은 또는 백금)과 교환합니다. 이 상호 작용은 분자를 일시적으로 안정화시켜 반응이 진행되도록 합니다. 과학자들은 100년 넘게 이러한 행동을 의심해 왔지만, 관련된 전자의 아주 작은 부분을 직접 측정한 적은 없었습니다.

미네소타 대학에 기반을 둔 프로그램 가능 에너지 촉매 센터의 연구원들은 이제 IET(등전위 전자 적정)라는 기술을 사용하여 이러한 전자 공유를 직접 측정할 수 있음을 입증했습니다.

촉매 작용에 대한 더욱 명확한 보기

미네소타 대학 화학공학 박사인 저스틴 홉킨스(Justin Hopkins)는 “이렇게 믿을 수 없을 만큼 작은 규모에서 전자의 일부를 측정하면 촉매 위의 분자 거동에 대한 가장 명확한 시각을 제공한다”고 말했습니다. 학생이자 연구의 주요 저자입니다. “역사적으로 촉매 엔지니어들은 표면의 분자를 이해하기 위해 이상적인 조건에서 보다 간접적인 측정에 의존했습니다. 대신에 이 새로운 측정 방법은 촉매 관련 조건에서 표면 결합에 대한 실질적인 설명을 제공합니다.”

촉매 표면에서 전자 이동이 얼마나 많이 발생하는지 정확히 아는 것은 촉매가 얼마나 효과적으로 수행되는지 이해하는 데 필수적입니다. 전자를 더 쉽게 공유하는 분자는 더 강하게 결합하고 더 쉽게 반응하는 경향이 있습니다. 귀금속은 촉매 반응을 촉진하는 데 필요한 이상적인 수준의 전자 공유를 달성하지만 지금까지 이러한 공유의 정확한 규모는 직접 포착된 적이 없습니다.

촉매 발견을 위한 새로운 도구로서의 IET

이제 IET 기술을 사용하여 새로운 촉매 제제를 직접 설명하고 비교할 수 있으므로 연구자들은 유망한 물질을 보다 신속하게 식별할 수 있습니다.

“IET를 통해 우리는 백금 위의 수소 원자의 경우와 같이 1% 미만의 수준에서 촉매 표면과 공유되는 전자의 비율을 측정할 수 있었습니다.”라고 교신 저자이자 University of Houston Cullen College of Engineering의 William A. Brookshire 화학 및 생체분자 공학과 부교수인 Omar Abdelrahman이 말했습니다. “수소 원자는 백금 촉매에 결합할 때 전자의 0.2%만을 포기하지만, 그 작은 비율로 인해 산업 화학 제조에서 수소가 반응할 수 있습니다.”

나노기술, 기계 학습 및 촉매작용 연결

방대한 데이터 세트를 검색하고 분석할 수 있는 기계 학습 도구와 결합된 촉매 구축을 위한 나노기술 기술의 급속한 성장으로 이미 알려진 촉매 물질의 카탈로그가 확장되었습니다. IET는 연구자들이 기본적인 전자 수준에서 촉매 작용을 직접 조사할 수 있도록 함으로써 세 번째 보완적인 접근 방식을 제공합니다.

“산업을 위한 새로운 촉매 기술의 기초는 항상 기본적인 기초 연구였습니다.”라고 미네소타 대학의 프로그래밍 가능 에너지 촉매 센터 소장이자 교수인 Paul Dauenhauer는 말합니다. “부분 전자 분포에 대한 이 새로운 발견은 향후 수십 년 동안 새로운 에너지 기술을 주도할 것이라고 믿는 촉매를 이해하기 위한 완전히 새로운 과학적 기반을 구축합니다.”

더 큰 국가 이니셔티브의 일부

이번 발견은 미국 에너지부의 에너지 프론티어 연구 센터 중 하나인 프로그램 가능 에너지 촉매 센터의 광범위한 임무를 지원합니다. 센터는 2022년 출범 이후 첨단 동적촉매시스템을 통한 소재, 화학물질, 연료 생산을 목표로 차세대 촉매기술 개발에 힘써왔다.