A katalizátorok azok közé a dolgok közé tartoznak, amelyekről kevesen gondolkodnak sokat, talán a középiskolai kémián kívül, pedig ezek mozgatják a világot. A mindennapi életünkben szinte minden a katalizátoroktól függ: autók, Post-It-cetlik, mosószer, sör.

Katalizátorok vesznek körül minket.

A katalizátorok azok közé a dolgok közé tartoznak, amelyekről kevesen gondolkodnak sokat, talán a középiskolai kémián kívül, pedig ezek mozgatják a világot. A mindennapi életünkben szinte minden a katalizátoroktól függ: autók, Post-It cetlik, mosószer, sör. A szendvicsed minden része, a kenyér, a cheddar sajt, a sült pulyka. A katalizátorok lebontják a papírpépet, hogy a magazinodban lévő sima papírt előállítsák. Minden este megtisztítják a kontaktlencséidet. A tejet joghurttá, a kőolajat pedig műanyag tejeskannákká, CD-kké és biciklis sisakokká alakítják.

Mi a katalízis?

A katalizátorok felgyorsítják a kémiai reakciót azáltal, hogy csökkentik a reakció beindításához szükséges energia mennyiségét. A katalízis számos ipari folyamat gerincét képezi, amelyek kémiai reakciók segítségével alakítják át a nyersanyagokat hasznos termékekké. A katalizátorok szerves részét képezik a műanyagok és számos más gyártmány előállításának.

Még az emberi szervezet is katalizátorokkal működik. Sok fehérje a testedben tulajdonképpen katalizátorok, úgynevezett enzimek, amelyek mindent megtesznek a végtagjaidat mozgató jelek létrehozásától kezdve a táplálék megemésztésének segítéséig. Ezek valóban az élet alapvető részei.

A kis dolgoknak nagy eredményei lehetnek.

A legtöbb esetben egy katalizátorból csak egy parányi mennyiségre van szükséged ahhoz, hogy változást érj el. Már a katalizátor részecske mérete is megváltoztathatja a reakció lefolyását. Tavaly egy Argonne-csoport, köztük Larry Curtiss anyagtudós, azt találta, hogy egy ezüstkatalizátor jobban teljesíti a feladatát, ha csak néhány atom széles nanorészecskékben van. (A katalizátor a propilént propilén-oxiddá alakítja, ami az első lépés a fagyálló és más termékek előállításában.)

Ez zöldebbé teheti a dolgokat.

A műanyag és más alapvető cikkek ipari gyártási folyamatai során gyakran keletkeznek kellemetlen melléktermékek, amelyek veszélyt jelenthetnek az emberi egészségre és a környezetre. A jobb katalizátorok segíthetnek megoldani ezt a problémát. Például ugyanaz az ezüstkatalizátor valójában kevesebb mérgező mellékterméket termel, így az egész reakció környezetbarátabbá válik.

A katalizátor lényege, hogy energiát takarít meg. És a katalizátorok nagyszabású alkalmazása rengeteg energiát takaríthat meg a világnak. Az Egyesült Államokban évente felhasznált energia három százalékát az etán és propán alkénné alakítására fordítják, amelyből többek között műanyagokat állítanak elő. Ez több mint 500 millió hordó benzinnek felel meg.

A katalizátorok a bioüzemanyagok felszabadításának kulcsa is. Minden biomassza – kukorica, switchgrass, fák – tartalmaz egy kemény vegyületet, a cellulózt, amelyet az üzemanyag előállításához le kell bontani. A cellulóz lebontásához szükséges tökéletes katalizátor megtalálása olcsóbbá és életképesebbé tenné a bioüzemanyagokat, mint megújuló energiaforrást.

Gyakran fogalmunk sincs, miért működnek.

A katalizátorok működésének pontos okai gyakran még mindig rejtélyek a tudósok számára. Curtiss a számítógépes katalízis területén dolgozik: számítógépek segítségével foglalkozik a fizika, a kémia és a matematika bonyolult kölcsönhatásával, amely megmagyarázza, hogyan működik egy katalizátor.

Ha már rájöttek a folyamatra, a tudósok megpróbálhatnak olyan katalizátort építeni, amely még jobban működik, szimulálva, hogyan működhetnek helyette a különböző anyagok. Az új katalizátorok lehetséges konfigurációi több ezer kombinációra rúghatnak, ezért a szuperszámítógépek tudnak a legjobban foglalkozni velük.

Amikor Edison a villanykörtét építette, szó szerint több száz különböző izzószálat tesztelt (valószínűleg laboratóriumi asszisztensei türelmét is próbára téve), mielőtt felfedezte a szénszálat. A szuperszámítógépek és a modern technológia előnyeit kihasználva a tudósok felgyorsíthatják az áttörésig vezető évekig tartó teszteléseket és költségeket.

Curtiss szimulációkat futtat az Argonne Blue Gene/P szuperszámítógépén, hogy lehetséges új katalizátorokat tervezzen. “Ahogy a szuperszámítógépek egyre gyorsabbak lettek, olyan dolgokat is meg tudtunk csinálni, amire 10 évvel ezelőtt nem lettünk volna képesek” – mondta.

Ezek nélkülözhetetlenek lehetnek az akkumulátorok következő nagy forradalmához.

Az új, hatékony lítium-ion akkumulátorok segítettek abban, hogy a nehézkes autós telefonokból a ma kapható karcsú, elegáns mobiltelefonok és laptopok szülessenek. A tudósok azonban már keresik az akkumulátorok következő forradalmát, amely egy napon olyan könnyű és erős akkumulátort eredményezhet, amely elég könnyű és erős ahhoz, hogy egy autó 500 mérföldet is megtegyen egyhuzamban. Az egyik ígéretes ötlet a lítium-levegő akkumulátor, amely a levegő oxigénjét használja elsődleges alkotóelemként. Ehhez az új akkumulátorhoz azonban teljesen át kell alakítani a belső kémiát, és egy új, erőteljes katalizátorra lesz szükség, hogy működőképes legyen. A lítium-levegő akkumulátor úgy működik, hogy lítium- és oxigénatomokat egyesít, majd újra és újra szétbontja őket. Ez egy katalizátorra szabott helyzet, és egy jó katalizátor felgyorsítaná a reakciót és hatékonyabbá tenné az akkumulátort.

Hogyan lehet új katalizátort készíteni?

A reakciók mögötti kémia megértése az első lépés; ezután a tudósok modellezéssel megtervezhetik a lehetséges új katalizátorokat, és laboratóriumban tesztelhetik őket. De ez az első lépés nehéz, hacsak nem tudunk lejutni az atomi szintre, hogy lássuk, mi történik a reakció során. Ez az a terület, ahol az Argonne fejlett fotonforrásához (APS) hasonló nagy tudományos létesítmények ragyognak.

Az APS-ben a tudósok az Egyesült Államok legfényesebb röntgensugárzásával valós időben követhetik nyomon a reakciókat. A laboratórium elektronmikroszkópiai központjában a kutatók fotókat készítenek az atomokról, miközben azok reagálnak. Curtiss és csapata mindkettőt felhasználta a jobb katalizátorok keresése során.

rendelkezésre bocsátotta.