Katalizatory są jedną z tych rzeczy, o których niewiele osób myśli, poza być może chemią w szkole średniej, ale to one sprawiają, że świat tyka. Prawie wszystko w twoim codziennym życiu zależy od katalizatorów: samochody, karteczki Post-It, proszek do prania, piwo.

Katalizatory są wszędzie wokół nas.

Katalizatory są jedną z tych rzeczy, o których niewiele osób myśli, poza być może chemią w szkole średniej, ale to one sprawiają, że świat tyka. Prawie wszystko w twoim codziennym życiu zależy od katalizatorów: samochody, karteczki Post-It, proszek do prania, piwo. Wszystkie elementy Twojej kanapki, ser cheddar, pieczony indyk. Katalizatory rozkładają pulpę papierową, aby uzyskać gładki papier w Twoim czasopiśmie. Każdej nocy czyszczą Twoje soczewki kontaktowe. Zmieniają mleko w jogurt, a ropę naftową w plastikowe dzbanki na mleko, płyty CD i kaski rowerowe.

Co to jest kataliza?

Katalizatory przyspieszają reakcję chemiczną, obniżając ilość energii potrzebnej do jej wywołania. Kataliza jest podstawą wielu procesów przemysłowych, które wykorzystują reakcje chemiczne do przekształcania surowców w użyteczne produkty. Katalizatory są integralną częścią produkcji tworzyw sztucznych i wielu innych wytwarzanych przedmiotów.

Nawet ludzkie ciało działa na katalizatorach. Wiele białek w twoim ciele to tak naprawdę katalizatory zwane enzymami, które robią wszystko, od tworzenia sygnałów, które poruszają twoimi kończynami, po pomoc w trawieniu pokarmu. Są one naprawdę fundamentalną częścią życia.

Małe rzeczy mogą mieć wielkie rezultaty.

W większości przypadków, potrzebujesz tylko niewielkiej ilości katalizatora, aby zrobić różnicę. Nawet rozmiar cząsteczki katalizatora może zmienić sposób przebiegu reakcji. W zeszłym roku zespół z Argonne, w tym materiałoznawca Larry Curtiss, odkrył, że srebrny katalizator lepiej wykonuje swoje zadanie, gdy znajduje się w nanocząsteczkach o szerokości zaledwie kilku atomów. (Katalizator przekształca propylen w tlenki propylenu, co jest pierwszym krokiem w produkcji środków zapobiegających zamarzaniu i innych produktów).

To może sprawić, że rzeczy będą bardziej ekologiczne.

Przemysłowe procesy produkcyjne tworzyw sztucznych i innych podstawowych przedmiotów często wytwarzają paskudne produkty uboczne, które mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia ludzkiego i środowiska. Lepsze katalizatory mogą pomóc w rozwiązaniu tego problemu. Na przykład, ten sam srebrny katalizator w rzeczywistości wytwarza mniej toksycznych produktów ubocznych, czyniąc całą reakcję bardziej przyjazną dla środowiska.

W samym sercu, katalizator jest sposobem na oszczędzanie energii. A zastosowanie katalizatorów na wielką skalę mogłoby zaoszczędzić światu mnóstwo energii. Trzy procent całej energii zużywanej co roku w USA idzie na przekształcanie etanu i propanu w alkeny, które są wykorzystywane między innymi do produkcji tworzyw sztucznych. Jest to odpowiednik ponad 500 milionów baryłek benzyny.

Katalizatory są również kluczem do odblokowania biopaliw. Wszystkie biomasy – kukurydza, trawa, drzewa – zawierają twardy związek zwany celulozą, który musi zostać rozłożony, aby powstało paliwo. Znalezienie idealnego katalizatora do rozpadu celulozy sprawiłoby, że biopaliwa stałyby się tańsze i bardziej opłacalne jako odnawialne źródło energii.

Często nie mamy pojęcia, dlaczego one działają.

Dokładne powody, dla których katalizatory działają, są często nadal tajemnicą dla naukowców. Curtiss pracuje w katalizie obliczeniowej: używając komputerów do rozwiązywania skomplikowanych interakcji fizyki, chemii i matematyki, które wyjaśniają, jak działa katalizator.

Po rozgryzieniu procesu naukowcy mogą spróbować zbudować katalizator, który będzie działał jeszcze lepiej, symulując, jak różne materiały mogą działać zamiast niego. Potencjalne konfiguracje dla nowych katalizatorów mogą sięgać tysięcy kombinacji, dlatego też superkomputery są najlepsze w radzeniu sobie z nimi.

Kiedy Edison budował żarówkę, przetestował dosłownie setki różnych żarników (prawdopodobnie testując również cierpliwość swoich asystentów w laboratorium), zanim odkrył zwęglony żarnik. Korzystając z superkomputerów i nowoczesnych technologii, naukowcy mogą przyspieszyć lata testów i wydatków, aby dotrzeć do przełomowych odkryć.

Curtiss przeprowadza symulacje na superkomputerze Blue Gene/P w Argonne, aby zaprojektować możliwe nowe katalizatory. „W miarę jak superkomputery stają się coraz szybsze, jesteśmy w stanie robić rzeczy, których nie bylibyśmy w stanie zrobić 10 lat temu”, powiedział.

Mogą one być niezbędne dla następnej wielkiej rewolucji w akumulatorach.

Nowo wydajne baterie litowo-jonowe pomogły zmienić toporne telefony samochodowe w smukłe, eleganckie telefony komórkowe i laptopy dostępne dzisiaj. Ale naukowcy już szukają następnej rewolucji w bateriach, która pewnego dnia mogłaby uczynić baterię na tyle lekką i mocną, że samochód mógłby przejechać 500 mil za jednym razem. Obiecującym pomysłem są baterie litowo-powietrzne, które jako podstawowy składnik wykorzystują tlen z powietrza. Jednak ta nowa bateria będzie wymagała całkowitej zmiany wewnętrznej chemii, a do jej działania potrzebny będzie nowy, potężny katalizator. Bateria litowo-powietrzna działa poprzez łączenie atomów litu i tlenu, a następnie ich rozbijanie, w kółko. Jest to sytuacja stworzona na miarę dla katalizatora, a dobry katalizator przyspieszy reakcję i sprawi, że bateria będzie bardziej wydajna.

Jak stworzyć nowy katalizator?

Zrozumienie chemii stojącej za reakcjami jest pierwszym krokiem; następnie naukowcy mogą użyć modelowania do zaprojektowania potencjalnych nowych katalizatorów i przetestować je w laboratorium. Ale ten pierwszy krok jest trudny, jeśli nie można zejść do poziomu atomowego, aby zobaczyć, co się dzieje podczas reakcji. To właśnie w tym miejscu błyszczą duże urządzenia naukowe, takie jak Advanced Photon Source (APS) w Argonne.

W APS naukowcy mogą używać najjaśniejszego promieniowania rentgenowskiego w Stanach Zjednoczonych do śledzenia reakcji w czasie rzeczywistym. W Centrum Mikroskopii Elektronowej w laboratorium badacze fotografują atomy podczas reakcji. Curtiss i jego zespół używają obu tych metod w poszukiwaniu lepszych katalizatorów.

.