Результат — преимущества воды настолько малы — может удивить некоторых химиков. Но понимание этого небольшого преимущества имеет большое значение для множества потенциальных применений в отраслях, где используется диоксид титана. Эти отрасли включают производство альтернативного топлива, солнечную энергию и безопасность пищевых продуктов и даже самоочищающиеся окна.
Это также поможет ученым лучше понять, как ведут себя кислоты, и расширить их знания о расщеплении молекул.«Как связывает вода, было большим вопросом», — сказал химик Зденек Дохналек из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Химики получили смешанную информацию из множества различных методов, а у теоретиков тоже были идеи.
Используя уникальную комбинацию инструментов, мы наконец решили эту проблему».Команда сообщила о работе в Трудах Национальной академии наук.Земля тайнНесмотря на то, что во многих отраслях промышленности оксид титана используется для ускорения химических реакций, ученые не раскрыли всех его секретов.
Ключевая загадка, которую исследователи давно обсуждают, заключается в том, как вода взаимодействует с оксидом титана. Взаимодействие само по себе важно для расщепления воды, но оно также влияет на ход многих реакций в целом.На поверхности оксида титана молекулы воды переключаются между неповрежденными и расщепленными на гидроксилы.
Несмотря на то, что существует множество различных способов измерения отношения неповрежденной воды к гидроксилам в любой момент времени, ученые не могли определить это в течение десятилетий.Чтобы исследовать проблему, исследователи PNNL по-новому объединили различные инструменты. Они направили лучи воды с разной скоростью на холодный оксид титана, находящийся под микроскопом с очень высоким разрешением, известным как сканирующий туннельный микроскоп.
Микроскоп позволил им визуализировать атомы титана и кислорода катализатора. Атомы выглядят как яркие и темные ряды, как кукурузное поле с высокими рядами кукурузы, чередующимися с канавами, а отдельные молекулы воды выглядят как яркие пятна, которые не совпадают с рядами.Помимо наблюдения за молекулами воды, когда они ударяются о поверхность, команда смоделировала детали взаимодействия атомов с мельчайшими деталями на высокопроизводительном компьютере.
Объединение экспериментов и моделирования позволило команде разрешить давние дебаты.Мгновенное влечениеВ форме буквы V молекула воды имеет жирный атом кислорода в середине, связанный с двумя меньшими атомами водорода с каждой стороны.
Оксид титана помогает разорвать связи между атомами, чтобы ускорить химическую реакцию: атомы титана захватывают молекулы воды, в то время как близлежащие атомы кислорода, также являющиеся частью поверхности катализатора, оттягивают, а затем захватывают один из атомов водорода.
Когда это происходит, образуются два гидроксила: один из поверхностного кислорода, соединяющегося с водородом, а другой из остатков молекулы воды.Ученым нужно было знать, как часто образуются гидроксилы. Молекулы воды остаются нетронутыми на поверхности? Или они сразу переходят в гидроксилы?
Насколько вероятно, что вода останется нетронутой на оксиде титана — и насколько легко гидроксилы преобразуются в воду — создает основу для других химических реакций.Чтобы это выяснить, химикам пришлось разработать технологии, позволяющие измерить, как часто гидроксилы возникают на поверхности.
Используя ресурсы, разработанные в EMSL, Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, Научно-исследовательском центре Министерства энергетики США в PNNL, они выпустили луч молекул воды на поверхность оксида титана с низкой энергией — луч стрелял медленно и с высокой энергией. движется быстро, как из пожарного шланга.В итоге на поверхности остались яркие пятна, и чем выше энергия, тем больше пятен. Но пятна не выглядели достаточно яркими, чтобы включать оба гидроксила, как ожидалось, поэтому они провели дополнительные эксперименты, чтобы определить, что это были за пятна.Пятно на
Команда выстрелила водой на поверхность диоксида титана, а затем заморозила воду на месте. Потом потихоньку все прогревали. Повышение температуры показало, что пятна, которые, как они думали, были как минимум одним гидроксилом, превращались в молекулы воды. Это означало, что каждое пятно на самом деле должно было быть парой гидроксилов, потому что доказательства показали, что все сырье, необходимое для создания молекулы воды, находилось там, и оба гидроксила были необходимы.
Они выполнили различные другие эксперименты, чтобы определить температуру, при которой приземляющаяся молекула воды превращается в гидроксильные пары и наоборот. Из этого они узнали, что вода лишь немногим более стабильна, чем гидроксильные пары на поверхности — на 10 процентов больше, если исходить из количества энергии, необходимого для их разрушения.
Моделируя высадку на воду на высокопроизводительном компьютере, также в EMSL, исследователи обнаружили, что единственными молекулами воды, которые прилипли к катализатору, были молекулы, которые приземлились в образной канаве на кукурузном поле, где кислород воды сталкивался с атомом титана, находящимся внизу. канава.Если вода поступала с правильной скоростью, вода переориентировалась и стыковала один из своих атомов водорода с ближайшим кислородом, образуя гидроксильные пары, наблюдаемые в экспериментах. В противном случае молекула воды просто отскочила.«Мы обнаружили, что электростатика — то же самое статическое электричество, которое вызывает искры, когда вы трете ногой о ковер — помогает направить молекулы воды на поверхность», — сказал химик-теоретик и соавтор Роджер Руссо.
Все эти детали помогут исследователям лучше понять катализ и улучшить наше понимание химических реакций. Кроме того, результаты показывают ценность, которую ученые давно пытались закрепить — насколько легко или трудно воде терять водород на оксиде титана.