זרזים הופכים כימיקלים בלתי-רצויים או בלתי-שימושיים לחומרים שימושיים או רצויים יותר. מחקר, שפורסם החודש בכתב-העת המדעי Science, חושף פרטים חשובים של זרז נפוץ
זרזים הופכים כימיקלים בלתי-רצויים או בלתי-שימושיים לחומרים שימושיים או רצויים יותר. מחקר, שפורסם החודש בכתב-העת המדעי Science, חושף פרטים חשובים של זרז נפוץ: כיצד נוצר מבנה דמוי רפסודה של פלטינה פעיל כימית בזרז. המחקר החדש הוליד תובנות חדשות לשם שיפור יעילותו של זרז תעשייתי נפוץ המשמש בזיקוק נפט, בעיבוד כימיקלים ובשימושים סביבתיים.
המחקר מראה כי אטומי אלומיניום במצע התומך, הדורשים קשר נוסף, לוכדים ומעגנים את עצמם לאטומי הפלטינה. העוגנים מאפשרים לאטומי הפלטינה להתאסף לכעין רפסודות ה”צפות” מעל המשטח התומך תוך קבלת שפע מקום עבור התגובות הקטליטיות.
חוקרים מהמשרד לאנרגיה בארה”ב ביצעו את הבחינה עבור זרז תעשייתי המוכר כפלטינה המעוגנת על תחמוצת אלומיניום. שילובים יקרים אלו של מתכת ותחמוצת הינם הסוג הנפוץ ביותר של זרזים תעשייתיים. המחקר החדש יסייע למהנדסים לשלוט בהכנת הזרז הזה, שליטה אשר תוביל לשיפור ביצועיו. “הצלחנו לאתר במדויק אתר חשוב עבור העיגון של פלטינה למשטח תחמוצת האלומיניום המתקבלת במהלך ההכנה,” אמר הכימאי Chuck Peden, אחד השותפים לכתיבת המאמר. “חרף העובדה כי כבר נצפו מבני-רפסודות של פלטינה בעבר, זוהי הפעם הראשונה שקיבלנו תמונה בקנה-מידה מולקולארי של התהליכים היוצרים אותם.”
בזרזים אלו, התחמוצות הינן לא יותר מאשר משטח שעליו המתכות היקרות ממוקמות בעודן הן מבקעות ויוצרות קשרים בפרודות אחרות, כגון אלו המשמים במפלטי רכבים. הזרזים היעילים ביותר מפזרים את אטומי המתכות היקרות באופן אחיד על-גבי המשטח של התחמוצת. בזרזים הבלתי-יעילים אטומי המתכת הופכים לגושים סבוכים, כך שהאטומים הפנימיים אינם זמינים עוד לביצוע מלאכתם עם הפרודות האחרות.
כימאים שעובדים עם הזרז הזה כבר דיווחו בעבר כי בתנאים מסוימים עשויים להיווצר רפסודות של אטומי פלטינה על משטח התחמוצת. בניגוד לגושי אטומים, הרפסודות חושפות את רוב האטומים שלהן לפרודות אחרות, עובדה ההופכת אותן למבנים רצויים ביותר. אולם, בכדי לשלוט על ייצור מבני הרפסודות, החוקרים נאלצו ללמוד כיצד הם נוצרים.
לשם כך, החוקרים הכינו משטחים של תחמוצות אלומיניום בתנאי סינתזה טיפוסיים ובחנו אותם לפני הציפוי באטומי פלטינה ולאחריו. בתחילה, הם בחנו את טיבו הכימי של המשטח בעזרת אחד המכשירים העוצמתיים מסוגם הקיימים בעולם – מכשיר ספקטרומטר מסוג תמ”ג (NMR) של 900 מגה הרץ. המכשיר סיפק רמת הפרדה חסרת תקדים של מבנה תחמוצת האלומיניום, דבר שאפשר לחוקרים לזהות אטומי אלומיניום בעלי תכונות ייחודיות. בשל טיבם הכימי, אטומי אלומיניום נוטים להיקשר לארבעה או שישה אטומים. החוקרים גילו, לעומת זאת, כי בהעדר אטומי פלטינה חלק מאטומי האלומיניום נקשרו לחמישה אטומים המהווים מבנה פחות “נוח”. אולם, הוספת אטומי פלטינה לתערובת הביאה להפחתה במספר אטומי האלומיניום הקשורים לחמישה אטומים אחרים, ולהגברה במספרם של אלו הקשורים לשישה אטומים. מספרם של אטומי האלומיניום הקשורים לארבעה אטומים אחרים נותר קבוע, עובדה המרמזת כי אטומי הפלטינה מתמקמים בנקודות קרובות יותר מאשר האטומים הנקשרים לחמישה אטומים, אתרים המכונים פנטא (penta). צוות המחקר גילה כי ניתן להגדיל את מספר אתרי הפנטא באמצעות העלאת הטמפרטורה במהלך הכנת הזרז. אתרי פנטא רבים יותר משמעם יותר אטומי פלטינה המעוגנים למשטח.
בסוף סדרת הניסויים שלהם, החוקרים הראו כי אטומי אלומיניום מסוג פנטא חיוניים להיווצרות מבני הרפסודות. תחמוצות אלומיניום אינן מכילות במקור אתרים מסוג פנטא. כאשר החוקרים בחנו במיקרוסקופ זרזים שהוכנו מתחמוצת אלומיניום הם ראו כי אטומי הפלטינה יצרו גושים כדוריים שהתנודדו על גבי המשטח במקום מבני רפסודות מאורגנים.
חישובים תיאורטיים שלקחו בחשבון את כל המידע הניסויי הולידו מודל ממוחשב של מנגנון היווצרותו של הזרז. ממצאים אלו סיפקו תובנות בדבר הדרך המתאימה ביותר להכנת זרזים יעילים יותר.
“ההבנה שהשגנו במחקר הולידה מספר כלים נוספים שניתן להשתמש בהם בכדי לקבל פיזור טוב ואחיד יותר של אטומי הפלטינה,” מציין החוקר. “לדוגמא, אם נוכל למצוא תנאים שבהם ניתן יהיה להוסיף אטומי פלטינה בטמפרטורות גבוהות יותר מהקיימות היום, אזי נוכל לקבל הרבה יותר אתרי קישור זמינים.” מציאת התנאים המדויקים שיאפשרו לכימאים לשלוט במספר ובמידת פיזור אתרי הפנטא תהיה הנושא של מחקרים עתידיים של קבוצה זו.
