鲁尔大学波鸿分校 信用:CC0公共领域 由分散在金属氧化物上的金纳米粒子制成的纳米催化剂非常有希望用于将包括醇在内的化合物工业选择性氧化成有价值的化学品
它们显示出高催化活性，特别是在水溶液中
来自波鸿鲁尔大学的一组研究人员已经能够解释为什么:水分子在促进氧化反应所需的氧分解中起着积极的作用
理论化学主席张秀坤·马克思教授的团队于2020年7月14日在高影响力期刊《ACS催化》上发表了报告
淘金 大多数工业氧化过程涉及使用产生有毒或无用副产品的试剂，如氯或有机过氧化物
相反，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，将是一种更绿色、更有吸引力的解决方案
这种方法的一个有前途的媒介是金/金属氧化物(金/二氧化钛)系统，其中金属氧化物二氧化钛(二氧化钛)支持金纳米粒子
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
所有反应背后的一个关键步骤是O2的分解，这通常包括高能势垒
这个过程中一个关键的未知因素是水的作用，因为反应发生在水溶液中
在2018年的一项研究中，鲁尔卓越集团理论化学主席和研究领域协调员张秀坤·马克思的RUB小组探索了溶剂化作用(Resolv)，已经暗示水分子积极参与氧化反应:它们实现了逐步的电荷转移过程，导致水相中的氧解离
现在，同一个团队揭示了溶剂化促进了分子氧(O2)在金/金属氧化物(Au/二氧化钛)纳米催化剂上的活化:事实上，水分子有助于降低O2解离的能量屏障
研究人员量化了与气相相比，溶剂将能源成本降低了25%
张秀坤·马克思说:“这是第一次有可能深入了解水对这种纳米催化剂的临界O2活化反应的定量影响——我们也理解为什么。”
当心水分子 RUB的研究人员应用了计算机模拟，即所谓的从头分子动力学模拟，它不仅包括催化剂，还包括多达80个周围的水分子
这是深入了解液相情况的关键，与没有水的气相条件相比，液相含有水
“以前的计算工作采用了显著的简化或近似，没有考虑到如此困难的溶剂水的真正复杂性，”博士补充说
尼克拉斯·西默最近获得了博士学位
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基于这项研究
科学家模拟高温高压的实验条件，以获得液相和气相O2的自由能曲线
最后，他们可以追溯溶剂化效应的机理:水分子诱导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能量成本降低
研究人员说，最终，这一切都是关于水的独特性质:“我们发现水的极化率和它提供氢键的能力是氧活化的背后，”博士说
穆尼奥斯-圣迪布里奥
作者认为，新的计算策略将有助于理解和改进水和醇中的直接氧化催化
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