חוקרים מאוניברסיטת וירג’יניה בארה”ב חשפו אתרים פעילים ייחודיים המצויים על גבי מצע של דו-תחמוצת הטיטאניום באמצעות מדידות ספקטרוסקופיות ותיאורטיות.
חוקרים מאוניברסיטת וירג’יניה בארה”ב חשפו אתרים פעילים ייחודיים המצויים על גבי מצע של דו-תחמוצת הטיטאניום באמצעות מדידות ספקטרוסקופיות ותיאורטיות.
קטליזטורים משמשים במגוון נרחב של תחומים, לרבות המרה של נפט ומקורות מתחדשים לדלק, וכן עבור הייצור של מוצרי פלסטיק, דשנים, צבעים, ממסים, תרופות ועוד. כעשרים אחוזים ממוצרי הבית בארה”ב תלויים בקטליזטורים ליזום התגובות הכימיות הנדרשות להכנת המוצרים.
קטליזטורים הם חומרים המשפעלים תגובות כימיות נחוצות מבלי שהם עצמם ישתנו בתהליך. מאפיין זה מאפשר להשתמש בקטליזטורים שוב ושוב מאחר והם אינם נצרכים או נשחקים במהלך התגובות הכימיות בהם הם מעורבים. מזה זמן רב שכימאים מצליחים לגלות ולפתח קטליזטורים רבים וממשיכים לעשות כן, למרות שפרטיהם המדויקים של מנגנוני הפעילות שלהם לא תמיד מובנים במלואם.
מחקר חדש שנערך באוניברסיטת וירג’יניה מתאר לראשונה אי פעם אתר קטליטי מסוג חדש שבו מתרחשת תגובת חמצון קטליטי, ובכך שופך אור חדש על הפעילות הפנימית של התהליך. המחקר, שנערך ע”י John Yates, פרופסור לכימיה, פורסם בכתב העת המדעי היוקרתי Science.
החוקר מציין כי לתגלית החדשה יש השלכות על הבנת הקטליזה בשלל חומרים, מאחר וקטליזת חמצון חיונית למספר יישומים טכנולוגיים.
“יש ברשותנו כעת גם כלים ניסיוניים, כגון ספקטרומטרים, וגם כלים תיאורטיים, כגון כימייה חישובית, המאפשרים לנו היום לחקור את הקטליזה ברמה האטומית,” מסביר החוקר. “אנו מסוגלים להתמקד פנימה במנגנון ולאתר את הנקודה המדויקת ביעילות שהינה גבוהה מאי פעם. הממצאים של מחקר זה יוכלו להיות שימושיים לפיתוח קטליזטורים עבור כל סוגי התגובות הקטליטיות.”
תוך שימוש במצע של דו-תחמוצת הטיטאניום עליו ממוקמים ננו-חלקיקי זהב, החוקרים מצאו אתר מיוחד המשמש כקטליזטור באזור ההיקפי של הזהב ודו-תחמוצת הטיאטניום.
“האתר מיוחד מאחר והוא מעורב בקישור של מולקולת חמצן לאטום זהב ולאטום טיטאניום סמוך המצוי על גבי המצע,” מסביר החוקר. “לא הזהב ולא דו-תחמוצת הטיטאניום מפגינים את הפעילות הקטליטית הזו כאשר חוקרים אותם בנפרד.”
באמצעות מדידות ספקטרוסקופיות בשילוב עם תיאוריה, צוות המחקר הצליח לעקוב אחר התמורות המולקולאריות הספציפיות ולקבוע במדויק היכן זה מתרחש על גבי הקטליזטור. החוקרים הוכיחו כי הפעילות הקטליטית המשמעותית מתרחשת באתרים מוגדרים הנוצרים באזור ההיקפי שבין חלקיקי הזהב ומצע הטיטאניום שלהם. “אנו קוראים לזה אתר קטליטי כפול מאחר ומעורבים בו שני אטומים שונים,” מציין החוקר.
הם הבחינו כי מולקולת חמצן נקשרת כימית הן לאטום הזהב בקצהו של צבר הזהב והן לאטום טיטאניום סמוך במצע הטיטאניה ומגיבה עם מולקולת פחמן חד-חמצני לקבלת פחמן דו-חמצני. באמצעות ספקטרוסקופיה החוקרים הצליחו לעקוב אחר הצריכה של פחמן חד-חמצני באתר הכפול.
“האתר המוגדר הזה ייחודי והוא האחראי לייזום השפעול של מולקולת החמצן העוברת תגובת חמצון על גבי מצע הקטליזטור,” מסביר החוקר. “זוהי משפחה חדשה של אתרים פעילים שלא נחשפו עד כה.”
תגובה אחת
הבנה נמוכה מאוד של האנושות בכימיה. קצת מפתיע.
מהכתבה נובע שאין כיום הבנה של למה הקטליזה נוצרת איפה שהיא נוצרת, באופן כללי. כלומר יש פה משהו מאוד בסיסי בכימיה שכלל אינו מובן. אין כלי תוכנה תאורטי שיודע למדל אטומים ומולקולות באופן כללי ואת הכוחות סביבם? ומכאן להסיק מראש איפה יהיו אתרי פעילות…
רק יודעים לנחש איפה יהיו אתרים פעילים על בסיס דימיון למקרים מוכרים. וכל מה שהצליחו לעשות עכשיו הוא לקבוע מיקום של אתר נוסף. בכלל לא הבינו למה הוא נוצר היכן שנוצר או איך הוא מעורב בהאצת התגובה. הבנתי נכון?