Химики тратят много времени и энергии, пытаясь запустить химические реакции или ускорить их, но иногда может быть столь же важно остановить их, прежде чем они зайдут слишком далеко.
В недавнем исследовании, проведенном Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США, химики определили способ превращения циклогексана в циклогексен или циклогексадиен, важные химические вещества в широком спектре промышленных процессов. Важно отметить, что этот процесс происходит при низких температурах , исключая образование углекислого газа, который мог бы возникнуть в результате нежелательного разрыва углерод-углеродных связей.
Циклогексан является важной исходной молекулой в широком спектре химических реакций , по словам аргоннского химика Стефана Вайды, который сейчас работает в Институте физической химии им. Я. Гейровского в Праге. Однако без подходящего катализатора для инициирования реакции превращение циклогексана в полезные продукты обычно требует повышенных температур, генерируемых в результате расходования большого количества энергии, и процесс также может страдать от низкой селективности.
В этом исследовании химик Ваджда и Аргонн Ларри Кертисс и их международная команда исследователей изучили тип реакции, называемой окислительным дегидрированием, при котором молекулы водорода отщепляются от более крупной молекулы. Разрывая ограниченное число водород-углеродных связей, реакция может производить циклогексен и циклогексадиен до того, как произойдет сгорание до диоксида углерода.
Работа улучшилась в предыдущих исследованиях аргоннской группы по дегидрированию циклогексана и циклогексена путем введения двух ключевых компонентов: катализатора на основе оксида кобальта размером менее нанометра на подложке из оксида алюминия и контролируемой кислородной среды.
Исследователи использовали методы рассеяния рентгеновских лучей в Аргоннском передовом источнике фотонов (APS), Учебном центре Министерства науки США, для мониторинга природы и стабильности катализаторов во время каталитического тестирования кластеров в режиме реального времени. Они обнаружили, что кластеры проводят частичное дегидрирование циклогексана при температурах около 100 градусов по Цельсию — намного ниже, чем ранее наблюдалось для этого типа реакции, и кластеры сохраняли свою окисленную природу и стабильность при температурах реакции до 300 ° C. ,
«Тот факт, что мы можем осуществить это преобразование при более низких температурах, защищает промежуточные продукты дегидрирования циклогексен и циклогексадиен от дальнейшей конверсии в нежелательные продукты», — сказал Вайда.
Вайда и Кертисс отметили, что высокоселективный катализатор является долгоживущим и не отравляется и не разрушается в результате реакции. В теоретическом и экспериментальном исследовании размера катализатора исследователи обнаружили, что кластеры размером четыре и двадцать семь атомов были примерно одинаково эффективны в проведении реакции. «Кажется, что если размер катализатора меньше примерно одного нанометра, эта композиция хорошо работает — важный фактор для потенциального увеличения количества катализаторов этого класса более традиционными, хотя и менее селективными по размеру, путями синтеза». Вайда сказал.
Чтобы лучше понять основные механизмы, лежащие в основе активности и селективности кобальтовых катализаторов, исследователи использовали расчеты теории функционала плотности для моделирования путей реакции . «Превосходные характеристики кластеров кобальта можно объяснить теоретическими расчетами , которые показывают высокоактивные атомы кобальта в кластерах и показывают, что окисленная природа кластеров вызывает низкотемпературное образование продукта», — объяснил Кертисс.
