Nesten alt i ditt daglige liv avhenger av katalysatorer: biler, Post-It lapper, vaskemiddel, øl. Alle deler av sandwich—brød, cheddar ost, stekt kalkun., Katalysatorer bryte ned papirmasse å produsere glatt papir i magasinet. De rene linsene dine hver kveld. De slår melk til yoghurt og olje og gass til plast melk mugger, Cd-er og sykkel hjelmer.
Hva er katalyse?
Katalysatorer øke hastigheten på en kjemisk reaksjon ved å redusere mengden av energi som du trenger for å få en kommer. Katalyse er ryggraden i mange industrielle prosesser, som bruker kjemiske reaksjoner til å slå råvarer til nyttige produkter. Katalysatorer er integrert i å lage plast og mange andre produserte produkter.
Selv den menneskelige kroppen går på katalysatorer., Mange proteiner i kroppen er faktisk katalysatorer som kalles enzymer, som gjør alt fra å lage signaler som flytter dine lemmer for å hjelpe fordøye mat. De er virkelig en grunnleggende del av livet.
Små ting kan gi store resultater.
I de fleste tilfeller, du trenger bare en liten mengde av en katalysator for å gjøre en forskjell. Selv størrelsen av katalysator partikkel kan endre måten en reaksjon går. Siste år, en Argonne team inkludert materialer forsker Larry Curtiss funnet at en silver catalyst er bedre til sin oppgave, når det er i nanopartikler bare noen få atomer bredt., (Katalysator slår propylen inn propylen oksider, som er det første trinnet i å gjøre frostvæske og andre produkter.)
Det kan gjøre ting grønnere.
Industrielle produksjonsprosesser for plast og andre viktige elementer ofte produsere stygg by-produkter som kan utgjøre en fare for menneskers helse og miljøet. Bedre katalysatorer kan bidra til å løse det problemet. For eksempel, den samme silver catalyst faktisk produserer færre giftige biprodukter—noe som gjør hele reaksjon mer miljøvennlig.
I sitt hjerte, en katalysator er en måte å spare energi på., Og bruk av katalysatorer på en stor skala kan redde verden mye energi. Tre prosent av all energi brukes i USA hvert år går inn konvertering av etan og propan i mellom hx og alkener, som brukes til å gjøre plast, blant andre ting. Det er tilsvarende mer enn 500 millioner fat bensin.
Katalysatorer er også nøkkelen til å låse opp biodrivstoff. Alle biomasse—mais, switchgrass, trær—inneholder en tøff stoff som heter cellulose, som har å bli brutt ned for å lage drivstoff., Å finne den perfekte katalysatoren for å gå i oppløsning cellulose ville gjøre biodrivstoff billigere og mer levedyktig som en fornybar energikilde.
Ofte, vi har ingen anelse om hvorfor de virker.
nøyaktig grunner til hvorfor katalysatorer arbeid er ofte fortsatt et mysterium for forskerne., Curtiss fungerer i beregningsorientert katalyse: å bruke datamaskiner til å takle kompliserte samspillet mellom fysikk, kjemi og matematikk som forklarer hvordan en katalysator opererer.
Når de har funnet ut prosessen, forskere kan prøve å bygge en katalysator som fungerer enda bedre ved å simulere hvordan ulike materialer kan jobbe i stedet. Mulige konfigurasjoner for nye katalysatorer kan kjøre til tusenvis av kombinasjoner, noe som er grunnen til superdatamaskiner er best på å håndtere dem.,
Når Edison var å bygge lyspære, han testet bokstavelig talt hundrevis av forskjellige filamenter (sannsynligvis testing tålmodighet hans lab assistenter som også), før du oppdager den karbonisert filament. Ved å dra nytte av superdatamaskiner og moderne teknologi, forskere kan fremskynde år med testing og utgifter for å få til endring.
Curtiss kjører simuleringer på Argonne ‘ s Blue Gene/S superdatamaskin til å designe mulige nye katalysatorer. «Som superdatamaskiner har blitt raskere, har vi vært i stand til å gjøre ting vi aldri ville ha vært i stand til å gjøre for 10 år siden,» sa han.,
De kunne være avgjørende for den neste store revolusjonen i batterier.
Nylig effektiv litium-ion-batterier hjalp til med å skru clunky bil telefoner i den slanke, elegante mobiltelefoner og bærbare pc-er som er tilgjengelig i dag. Men forskere er allerede å søke etter den neste revolusjonen i batterier—en som en dag kunne gjøre et batteri lett og kraftig nok til å ta en bil 500 km på en gå. En god idé er litium-luft-batterier, som bruk av oksygen fra luften som et primære komponent., Men dette nye batteriet vil kreve helt revamping interne kjemi, og det må en kraftig ny katalysator for å gjøre det arbeidet. Et lithium-batteri fungerer ved å kombinere litium og oksygen atomer og deretter bryte dem fra hverandre, over og over. Det er en situasjon som er skreddersydd for en katalysator, og en god en ville gjøre reaksjon raskere og få batteriet mer effektiv.
Hvordan gjør du en ny katalysator?
Forstå kjemien bak reaksjoner er det første trinnet, så forskere kan bruke modellering til design potensielle nye katalysatorer og har de testet i laboratoriet., Men det første trinnet er vanskelig hvis du ikke kan komme ned til atomnivå for å se hva som skjer under en reaksjon. Dette er hvor store vitenskapelige fasiliteter som Argonne Avanserte Foton Kilde (APS) skinne.
På APS, forskere kan bruke den lyseste X-stråler i Usa for å spore reaksjoner i sanntid. På laboratoriet er Elektron Mikroskopi Center, forskere ta bilder av atomer mens de reagerer. Curtiss og teamet har brukt begge av disse i deres søken etter bedre katalysatorer.
Leave a Reply