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慕尼黑理工大学利用沸石催化化学反应 将生物质转化为生物燃料

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58京牌 沸石是超多孔材料,10克沸石的内部表面积相当于一个足球场那么大。这种孔腔结构使其很适合用于催化化学反应,帮助节省能量。,一国际研究团考察水分子在相关过程中扮演的角色,并获得新发现。其重要应用之一是将生物质转化为生物燃料。

(图片来源:phys.org)

生物燃料对环境的影响少,但其生产过程需要大量能量。经过高温和压力,才能发生必要的化学反应。慕尼黑理工大学 (TUM) 的教授Johannes Lercher表示:“将来,要在不使用化石能源的情况下,大规模有效地利用生物质,我们必须找出相应的节能型生物质处理方法。”

包括Lercher在内的国际研究团队密切观察,在沸石孔(小于1纳米)内发生的反应中,水分子所起到的作用。

从酸的原理出发

酸的特征之一是容易给出质子。盐酸加入水中后,会分裂成带负电荷的氯化物阴离子,以及附着在水分子上的带正电荷的质子,从而产生带正电荷的水合氢离子,并进一步传递质子,例如传递给有机分子。

当有机分子被迫接受质子时,必须设法使自己稳定下来。这样,乙醇会产生一个具有双键的分子,这是从生物质到生物燃料的典型反应步骤。在转换期间,通过沸石壁稳定过渡状态,有助于减少发生反应所需的能量。

沸石能起到酸的作用

沸石的晶体结构中包含氧原子,其中已携带一个质子。如同酸分子,它们通过与水互相作用,形成水合氢离子。然而,当水合氢离子分散在水中时,仍与沸石保持紧密接触。通过化学预处理过程,可以改变这些活性中心的数量,使沸石孔内的水合氢离子达到一定密度。

通过系统地改变孔腔大小、活性位点密度和水分子的数量,研究团队找到了能够催化示例反应的最佳孔径尺寸和水浓度。Johannes Lercher表示:“总的来说,通过缩小孔隙和提高电荷密度,有可能提高反应速率。然而,当周围的物质过于拥挤,电荷彼此过于接近时,反应速率又会下降。因此,可能每个反应都存在最佳条件。”

研究人员强调,沸石通常适合作为纳米反应器,用于所有的化学反应。这些化学反应中的反应伙伴适合进入孔中,而酸可以用作催化剂。“我们正处于发展的初级阶段,有可能在低温下提高分子的反应活性,从而在燃料或化学品的生产过程中节省大量能源。”

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