水分子的作用是什么?

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由分散在金属氧化物上的金纳米颗粒制成的纳米催化剂对于将包括醇在内的化合物工业化,选择性氧化为有价值的化学物质非常有前途。它们显示出高催化活性,特别是在水溶液中。波鸿鲁尔大学(RUB)的一组研究人员已经能够解释其原因:水分子在促进氧化反应所需的氧离解中起着积极的作用。理论化学主席Dominik Marx教授的团队于2020年7月14日在高影响力的ACS催化期刊上发表了报告。

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大多数工业氧化过程涉及使用产生有毒或无用副产物的试剂,例如氯或有机过氧化物。取而代之的是,使用分子氧 O2并将其分解以获得生产特定产品所需的氧原子,这将是一种更绿色且更具吸引力的解决方案。这种方法的有前途的介质是金/金属氧化物(Au / TiO2)系统,其中金属氧化物二氧化钛(TiO2)支撑金的纳米颗粒。这些纳米催化剂可以催化分子氢,一氧化碳尤其是醇的选择性氧化。所有反应背后的关键步骤是O2的解离,通常包括高能垒。由于反应是在水溶液中进行的,因此在此过程中关键的未知因素是水的作用。

在2018年的一项研究中,鲁尔(Ruhr)探索溶剂化(Resolv)的理论化学和研究领域协调员Dominik Marx的RUB小组已经暗示,水分子积极参与了氧化反应:它们使逐步的电荷-转移过程导致水相中的氧离解。现在,同一小组发现,溶剂化促进了金/金属氧化物(Au / TiO2)纳米催化剂上分子氧(O2)的活化:实际上,水分子有助于降低O2的能垒离解。研究人员确定,与气相相比,溶剂可将能源成本降低25%。多米尼克·马克思说:“首次有可能洞悉水对这种纳米催化剂的关键O2活化反应的定量影响,我们也理解了原因。”

注意水分子

RUB研究人员应用了计算机模拟,即所谓的从头算分子动力学模拟,该模拟不仅明确包括催化剂,而且还包括多达80个周围的水分子。与没有水的气相条件直接比较,这对于深入了解包含水的液相情况至关重要。Niklas Siemer博士补充说:“以前的计算工作进行了显着简化或近似,没有说明如此困难的溶剂水的真正复杂性。” 基于这项研究的RUB。

科学家们在高温和高压下模拟了实验条件,以获取O2在液相和气相中的自由能分布。最后,他们可以追溯出溶剂化作用的机械原因:水分子诱导向锚定在纳米催化剂周边的氧的局部电子电荷增加;这反过来导致解离的精力消耗更少。研究人员说,最后,这全都与水的独特性质有关:“我们发现水的极化性及其提供氢键的能力落后于氧气的活化,” Munoz-Santiburcio博士说。这组作者说,新的计算策略将有助于理解和改善水中的直接氧化催化作用和酒精。

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