Впервые в истории науки исследователи смогли зафиксировать на видео движение отдельных атомов во время каталитической реакции. Используя уникальную технологию SMART-EM (Single-molecule Atomic-resolution Time-resolved Electron Microscopy), они увидели, как происходит удаление водорода из молекулы этанола, и обнаружили промежуточные соединения и неизвестный ранее путь реакции.
SMART-EM — инструмент, разработанный группой профессора Эйити Накамуры из Токийского университета и впервые представленный в 2018 году. Эта технология позволяет наблюдать за отдельными молекулами в реальном времени, используя низкую дозу электронов, что предотвращает разрушение органических материалов, характерное для традиционных электронных микроскопов. По словам Накамуры: «С 2007 года физики осуществили мечту, которой было более двухсот лет — мы можем видеть отдельные атомы... Наша группа пошла дальше: мы создали видеозапись молекул и увидели химические реакции с беспрецедентной детализацией».
В исследовании, опубликованном в журнале Chem под заголовком «Atomic-resolution imaging as a mechanistic tool for studying single-site heterogeneous catalysis», участвовали учёные из Северо-Западного университета и Токийского университета. Руководитель проекта, Тобин Дж. Маркс, профессор химии и инженерии, отметил: «Катализаторы делают современную жизнь возможной... Чтобы сделать химические процессы более эффективными и экологичными, нам необходимо понять, как именно работают катализаторы на атомном уровне. Наше исследование — большой шаг к этому».
В промышленности 85% всех катализаторов являются гетерогенными: они представляют собой твёрдые вещества, вступающие в реакцию с газами или жидкостями. Несмотря на эффективность и стабильность, такие катализаторы остаются «чёрным ящиком» из-за множества различных активных участков на их поверхности. SMART-EM впервые позволил наблюдать за работой одного каталитического центра во время реакции.
В качестве модели исследователи выбрали реакцию превращения этанола в водород — чистое топливо будущего. Для максимально точного изучения был создан односайтовый гетерогенный катализатор: частицы оксида молибдена закрепили на конусообразных углеродных нанотрубках, что обеспечило строго определённое активное место для реакции. Учёные смогли в реальном времени наблюдать, как с поверхности катализатора удаляются атомы водорода.
Ранее считалось, что этанол под действием катализатора превращается в водород и альдегид, который сразу улетучивается. Однако видео показало, что альдегид не покидает катализатор, а соединяется с другими молекулами, образуя короткоцепочечные полимеры — ранее неизвестный этап. Кроме того, альдегид вступает в реакцию с этанолом, формируя промежуточное соединение — гемиацеталь. Эти промежуточные вещества затем трансформируются в другие продукты. Все наблюдения были подтверждены дополнительными методами микроскопии, рентгеновским анализом, теоретическим моделированием и компьютерным моделированием.
«В прошлом мы не могли увидеть, как движутся атомы. Теперь мы можем...», — подчеркнул Кришна С. Кратиш, соавтор работы. Его слова дополнил вывод: «SMART-EM меняет наш взгляд на химию... Это только начало».
Исследование открывает путь к изоляции и изучению промежуточных соединений, управлению энергетикой реакций и подробному исследованию «живой» кинетики органических трансформаций с помощью катализаторов. Полученные знания позволят создавать более эффективные и экологичные химические процессы, а также глубже понять фундаментальные механизмы работы катализаторов.
SMART-EM — инструмент, разработанный группой профессора Эйити Накамуры из Токийского университета и впервые представленный в 2018 году. Эта технология позволяет наблюдать за отдельными молекулами в реальном времени, используя низкую дозу электронов, что предотвращает разрушение органических материалов, характерное для традиционных электронных микроскопов. По словам Накамуры: «С 2007 года физики осуществили мечту, которой было более двухсот лет — мы можем видеть отдельные атомы... Наша группа пошла дальше: мы создали видеозапись молекул и увидели химические реакции с беспрецедентной детализацией».
В исследовании, опубликованном в журнале Chem под заголовком «Atomic-resolution imaging as a mechanistic tool for studying single-site heterogeneous catalysis», участвовали учёные из Северо-Западного университета и Токийского университета. Руководитель проекта, Тобин Дж. Маркс, профессор химии и инженерии, отметил: «Катализаторы делают современную жизнь возможной... Чтобы сделать химические процессы более эффективными и экологичными, нам необходимо понять, как именно работают катализаторы на атомном уровне. Наше исследование — большой шаг к этому».
В промышленности 85% всех катализаторов являются гетерогенными: они представляют собой твёрдые вещества, вступающие в реакцию с газами или жидкостями. Несмотря на эффективность и стабильность, такие катализаторы остаются «чёрным ящиком» из-за множества различных активных участков на их поверхности. SMART-EM впервые позволил наблюдать за работой одного каталитического центра во время реакции.
В качестве модели исследователи выбрали реакцию превращения этанола в водород — чистое топливо будущего. Для максимально точного изучения был создан односайтовый гетерогенный катализатор: частицы оксида молибдена закрепили на конусообразных углеродных нанотрубках, что обеспечило строго определённое активное место для реакции. Учёные смогли в реальном времени наблюдать, как с поверхности катализатора удаляются атомы водорода.
Ранее считалось, что этанол под действием катализатора превращается в водород и альдегид, который сразу улетучивается. Однако видео показало, что альдегид не покидает катализатор, а соединяется с другими молекулами, образуя короткоцепочечные полимеры — ранее неизвестный этап. Кроме того, альдегид вступает в реакцию с этанолом, формируя промежуточное соединение — гемиацеталь. Эти промежуточные вещества затем трансформируются в другие продукты. Все наблюдения были подтверждены дополнительными методами микроскопии, рентгеновским анализом, теоретическим моделированием и компьютерным моделированием.
«В прошлом мы не могли увидеть, как движутся атомы. Теперь мы можем...», — подчеркнул Кришна С. Кратиш, соавтор работы. Его слова дополнил вывод: «SMART-EM меняет наш взгляд на химию... Это только начало».
Исследование открывает путь к изоляции и изучению промежуточных соединений, управлению энергетикой реакций и подробному исследованию «живой» кинетики органических трансформаций с помощью катализаторов. Полученные знания позволят создавать более эффективные и экологичные химические процессы, а также глубже понять фундаментальные механизмы работы катализаторов.
