prawie wszystko w Twoim codziennym życiu zależy od katalizatorów: samochodów, notatek Post-It, detergentu do prania, piwa. Wszystkie części twojej kanapki—chleb, ser cheddar, pieczony indyk., Katalizatory rozkładają masę papierową, aby uzyskać gładki papier w magazynie. Czyszczą Ci soczewki co noc. Zamieniają 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 uruchomienia. Kataliza jest podstawą wielu procesów przemysłowych, które wykorzystują reakcje chemiczne, aby przekształcić surowce w użyteczne produkty. Katalizatory są integralną częścią wytwarzania tworzyw sztucznych i wielu innych produkowanych przedmiotów.
nawet ludzkie ciało działa na katalizatorach., Wiele białek w organizmie to katalizatory zwane enzymami, które robią wszystko, od tworzenia sygnałów, które poruszają kończynami, po pomaganie w trawieniu jedzenia. Są one naprawdę podstawową częścią życia.
małe rzeczy mogą mieć duże efekty.
w większości przypadków potrzebujesz tylko niewielkiej ilości katalizatora, aby coś zmienić. Nawet wielkość cząstek katalizatora może zmienić sposób przebiegu reakcji. W zeszłym roku, zespół Argonne w tym materiałów Naukowiec Larry Curtiss odkrył, że jeden katalizator srebra jest lepiej w swoim zadaniu, gdy jest w nanocząstkach tylko kilka atomów szerokości., (Katalizator zamienia propylen w tlenki propylenu, co jest pierwszym krokiem w tworzeniu środka przeciw zamarzaniu i innych produktów.)
może sprawić, że rzeczy będą bardziej ekologiczne.
przemysłowe procesy produkcji tworzyw sztucznych i innych istotnych elementów często wytwarzają nieprzyjemne produkty uboczne, które mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia ludzkiego i środowiska. Lepsze katalizatory mogą pomóc rozwiązać ten problem. Na przykład ten sam katalizator srebra wytwarza mniej toksycznych produktów ubocznych-dzięki czemu cała reakcja jest bardziej przyjazna dla środowiska.
katalizator to sposób na oszczędzanie energii., A zastosowanie katalizatorów na wielką skalę może uratować świat dużo energii. Trzy procent całej energii zużywanej w USA każdego roku przeznacza się na przekształcenie etanu i propanu w alkeny, które są wykorzystywane między innymi do produkcji tworzyw sztucznych. To równowartość ponad 500 milionów baryłek benzyny.
katalizatory są również kluczem do odblokowania biopaliw. Cała biomasa-kukurydza, trawa zmienna, drzewa-zawiera twardy związek zwany celulozą, który musi zostać rozbity, aby wyprodukować paliwo., Znalezienie idealnego katalizatora do rozpadu celulozy uczyniłoby biopaliwa tańszymi i bardziej opłacalnymi jako odnawialne źródło energii.
często nie mamy pojęcia, dlaczego 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.
gdy już zorientowali się, proces, naukowcy mogą spróbować zbudować katalizator, który działa jeszcze lepiej, symulując, jak różne materiały mogą działać zamiast. Potencjalne konfiguracje nowych katalizatorów mogą sięgać tysięcy kombinacji, dlatego superkomputery najlepiej sobie z nimi radzą.,
Kiedy Edison budował żarówkę, przetestował dosłownie setki różnych włókien (prawdopodobnie testując cierpliwość swoich asystentów laboratoryjnych) przed odkryciem zwęglonego włókna. Korzystając z superkomputerów i nowoczesnej technologii, naukowcy mogą przyspieszyć lata testów i koszty, aby dostać się do przełomów.
Curtiss przeprowadza symulacje na superkomputerze Argonne Blue Gene/P, aby zaprojektować możliwe nowe katalizatory. „Ponieważ superkomputery stały się szybsze, byliśmy w stanie robić rzeczy, których nigdy nie bylibyśmy w stanie zrobić 10 lat temu”, powiedział.,
mogą być niezbędne do następnej wielkiej rewolucji w bateriach.
nowo wydajne baterie litowo-jonowe sprawiły, że telefony samochodowe stały się smukłymi, eleganckimi telefonami komórkowymi i laptopami dostępnymi obecnie. Ale naukowcy już szukają kolejnej rewolucji w akumulatorach—takiej, która kiedyś może sprawić, że bateria będzie lekka i wystarczająco mocna, aby przejechać 500 mil samochodem. Obiecującym pomysłem są baterie litowo-powietrzne, które wykorzystują tlen z powietrza jako podstawowy składnik., Ale ta nowa bateria będzie wymagała całkowitej modernizacji wewnętrznej chemii i będzie potrzebowała potężnego nowego katalizatora, aby to działało. Bateria litowo-powietrzna działa poprzez łączenie atomów litu i tlenu, a następnie rozbijanie ich w kółko. Jest to sytuacja dostosowana do katalizatora, a dobry zrobiłby szybszą reakcję i sprawił, że bateria była bardziej wydajna.
Jak zrobić nowy katalizator?
zrozumienie chemii stojącej za reakcjami jest pierwszym krokiem; następnie naukowcy mogą wykorzystać modelowanie do zaprojektowania potencjalnych nowych katalizatorów i przetestowania ich w laboratorium., Ale ten pierwszy krok jest trudny, chyba że możesz zejść do poziomu atomowego, aby zobaczyć, co dzieje się podczas reakcji. To tutaj lśnią duże obiekty naukowe, takie jak zaawansowane źródło fotonów (ApS) Argonne.
w APS naukowcy mogą korzystać z najjaśniejszych promieni rentgenowskich w Stanach Zjednoczonych, aby śledzić reakcje w czasie rzeczywistym. W laboratorium centrum Mikroskopii Elektronowej naukowcy robią zdjęcia atomów podczas ich reakcji. Curtiss i zespół wykorzystali oba w poszukiwaniu lepszych katalizatorów.
Leave a Reply