Fast alles in Ihrem täglichen Leben hängt von Katalysatoren: Autos, Post-It-Notizen, Waschmittel, Bier. Alle Teile Ihres Sandwichs-Brot, Cheddar-Käse, gebratener Truthahn., Katalysatoren brechen Papiermasse ab, um das glatte Papier in Ihrem Magazin zu produzieren. Sie reinigen Ihre Kontaktlinsen jede Nacht. Sie verwandeln Milch in Joghurt und Erdöl in Plastikmilchkrüge, CDs und Fahrradhelme.
Was ist Katalyse?
Katalysatoren beschleunigen eine chemische Reaktion, indem sie die Energiemenge senken, die Sie benötigen, um eine in Gang zu bringen. Die Katalyse ist das Rückgrat vieler industrieller Prozesse, die chemische Reaktionen verwenden, um Rohstoffe in nützliche Produkte umzuwandeln. Katalysatoren sind integraler Bestandteil bei der Herstellung von Kunststoffen und vielen anderen hergestellten Gegenständen.
Auch der menschliche Körper läuft auf Katalysatoren., Viele Proteine in Ihrem Körper sind tatsächlich Katalysatoren, die Enzyme genannt werden und alles tun, um Signale zu erzeugen, die Ihre Gliedmaßen bewegen, um Ihre Nahrung zu verdauen. Sie sind wirklich ein grundlegender Teil des Lebens.
Kleine Dinge können große Ergebnisse.
In den meisten Fällen benötigen Sie nur eine winzige Menge eines Katalysators, um einen Unterschied zu machen. Selbst die Größe des Katalysatorpartikels kann die Art und Weise verändern, wie eine Reaktion abläuft. Letztes Jahr fand ein Argonne-Team einschließlich des Materialwissenschaftlers Larry Curtiss heraus, dass ein Silberkatalysator seine Aufgabe besser erfüllt, wenn er in Nanopartikeln nur wenige Atome breit ist., (Der Katalysator verwandelt Propylen in Propylenoxide, was der erste Schritt bei der Herstellung von Frostschutzmitteln und anderen Produkten ist.)
Es kann die Dinge grüner machen.
Industrielle Herstellungsverfahren für Kunststoff und andere lebensnotwendige Gegenstände erzeugen häufig unangenehme Nebenprodukte, die eine Gefahr für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellen können. Bessere Katalysatoren können helfen, dieses Problem zu lösen. Zum Beispiel produziert derselbe Silberkatalysator tatsächlich weniger toxische Nebenprodukte—wodurch die gesamte Reaktion umweltfreundlicher wird.
Im Herzen ist ein Katalysator eine Möglichkeit, Energie zu sparen., Und die Anwendung von Katalysatoren im großen Stil könnte der Welt viel Energie sparen. Drei Prozent der gesamten in den USA verbrauchten Energie fließen jedes Jahr in die Umwandlung von Ethan und Propan in Alkene, die unter anderem zur Herstellung von Kunststoffen verwendet werden. Das entspricht mehr als 500 Millionen Barrel Benzin.
Katalysatoren sind auch der Schlüssel zum Freischalten von Biokraftstoffen. Alle Biomasse-Mais, Weizengras, Bäume—enthält eine zähe Verbindung namens Cellulose, die abgebaut werden muss, um Kraftstoff herzustellen., Das Finden des perfekten Katalysators zum Zerfall von Cellulose würde Biokraftstoffe als erneuerbare Energiequelle billiger und rentabler machen.
Oft haben wir keine Ahnung, warum Sie arbeiten.
Die genauen Gründe, warum Katalysatoren wirken, sind Wissenschaftlern oft noch ein Rätsel., Curtiss arbeitet in der Computational Catalysis: mit Computern das komplizierte Zusammenspiel von Physik, Chemie und Mathematik anzugehen, die erklärt, wie ein Katalysator arbeitet.
Sobald sie den Prozess herausgefunden haben, können Wissenschaftler versuchen, einen Katalysator zu bauen, der noch besser funktioniert, indem sie simulieren, wie verschiedene Materialien stattdessen funktionieren könnten. Mögliche Konfigurationen für neue Katalysatoren können Tausende von Kombinationen umfassen, weshalb Supercomputer am besten damit umgehen können.,
Als Edison die Glühbirne baute, testete er buchstäblich Hunderte verschiedener Filamente (wahrscheinlich testete er auch die Geduld seiner Laboranten), bevor er das verkohlte Filament entdeckte. Durch die Nutzung von Supercomputern und moderner Technologie können Wissenschaftler die jahrelangen Tests und Kosten beschleunigen, um Durchbrüche zu erzielen.
Curtiss führt Simulationen auf Argonnes Blue Gene/P Supercomputer durch, um mögliche neue Katalysatoren zu entwerfen. „Da Supercomputer schneller geworden sind, konnten wir Dinge tun, die wir vor 10 Jahren noch nie hätten tun können“, sagte er.,
Sie könnte entscheidend sein für die nächste große revolution in Batterien.
Neu effizienten lithium-Ionen-Batterien half turn klobig Auto-Telefone in das schlanke, elegante Handys und laptops heute verfügbar. Aber Wissenschaftler suchen bereits nach der nächsten Revolution in Batterien—eine, die eines Tages eine Batterie leicht und leistungsstark genug machen könnte, um ein Auto 500 Meilen auf einmal zu nehmen. Eine vielversprechende Idee sind Lithium-Luft-Batterien, die Sauerstoff aus der Luft als Hauptkomponente verwenden., Diese neue Batterie erfordert jedoch eine vollständige Überarbeitung der internen Chemie und einen leistungsstarken neuen Katalysator, damit sie funktioniert. Eine Lithium-Luft-Batterie kombiniert Lithium-und Sauerstoffatome und bricht sie dann immer wieder auseinander. Dies ist eine Situation, die auf einen Katalysator zugeschnitten ist, und eine gute würde die Reaktion beschleunigen und die Batterie effizienter machen.
Wie entsteht ein neuer Katalysator?
Das Verständnis der Chemie hinter Reaktionen ist der erste Schritt; dann können Wissenschaftler mithilfe der Modellierung potenzielle neue Katalysatoren entwerfen und im Labor testen lassen., Dieser erste Schritt ist jedoch schwierig, es sei denn, Sie können auf die atomare Ebene gelangen, um zu sehen, was während einer Reaktion passiert. Hier glänzen große wissenschaftliche Einrichtungen wie Argonnes Advanced Photon Source (APS).
Im APS können Wissenschaftler die hellsten Röntgenstrahlen in den USA verwenden, um die Reaktionen in Echtzeit zu verfolgen. Im Elektronenmikroskopiezentrum des Labors machen Forscher Fotos von den Atomen, während sie reagieren. Curtiss und das Team haben beide bei der Suche nach besseren Katalysatoren eingesetzt.
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