Эффект некоторых катализаторов нельзя объяснить только поверхностными взаимодействиями

Обнаружены катализаторы реакций с выделением кислорода, работающие благодаря кислороду, запасенному в них самих. Современная теория предполагала, что только области активности на поверхности катализаторов участвуют в ускорении реакций. Заявляющая об этом открытии работа американских химиков опубликована в журнале Nature Chemistry.

Химические реакции с выделением кислорода являются важной частью современной индустрии. К этому классу относятся расщепление воды, электрохимическое восстановление двуокиси углерода и производство аммиака. Обычно кинетика таких превращений медленна, однако оксиды металлов являются катализаторами этих реакций. Тем не менее физические основы катализа не до конца ясны.

В новой работе ученые из MIT показали, что в случае некоторых катализаторов кислород поступает не только из окружающей воды, но и из кристаллической решетки самого катализатора. «Исследование должно было ответить на вопросы, как молекулы воды расщепляются для получения кислорода и какие факторы ограничивают скорость реакции», — говорит Алексис Гримо, один из авторов статьи. Ученые погружали катализаторы в воду, в которой весь кислород был представлен редким изотопом с атомной массой 18. Затем катализатор использовали в реакции с обычной водой (содержащей кислород-16) и напрямую измеряли изотопный состав при помощи масс-спектрометра. В результате было обнаружено существенное присутствие кислорода-18, появление которого не может быть объяснено реакциями на поверхности катализатора.

Еще одной неожиданной находкой стало открытие влияния щелочности раствора на кинетику реакций: уменьшение концентрации протонов (увеличение pH) ускоряло выделение кислорода. Эти эффекты не могут быть объяснены традиционными механизмами. «Мы предложили другой механизм, ответственный за обозначенные эффекты, который, однако, требует дальнейшей экспериментальной и вычислительной проверки», — говорит проводивший опыты с кислородом-18 Оскар Диаз-Моралес из Лейденского университета.