Более рациональное использование сырья

Экспериментальное выяснение структур на границе раздела между работающим катализатором и реагирующими молекулами является ключом к фундаментальному пониманию гетерогенного катализа. Исследователи из Института Фрица Габера Общества Макса Планка переназначили колебательный спектр пентоксида ванадия, важного катализатора синтеза ценных продуктов посредством реакции органических молекул с кислородом газовой фазы, и, таким образом, смогли выяснить, какие центры участвуют в активации молекулы кислорода и окислении углеводородов. В кристаллической структуре пятиокиси ванадия три разных типа атомов кислорода различаются по тому, как они связывают соседние атомы ванадия. Колебательные спектры оксида, измеренные с помощью рамановской спектроскопии, различаются, когда атомы кислорода с регулярной атомной массой 16 заменяются более тяжелым изотопом кислорода с массой 18. Теперь исследователи смоделировали спектры рамановского рассеяния для случаев, когда только один из трех позиции в твердом теле или все три заняты более тяжелым атомом кислорода. Сравнивая расчетные спектры со спектрами, измеренными в присутствии изотопно-меченого кислорода, команда Института Фитца Хабера показала, какой из трех различных атомов кислорода в решетке катализатора реагирует с газовой фазой. Благодаря четкой структуре твердого тела и тому, что исследования проводились в реальных условиях катализа, удалось экспериментально подтвердить выводы о влиянии условий реакции при окислении пропана на структуру рабочего катализатора. От температуры и химического состава газовой фазы зависит тип атома кислорода и участие в реакции только поверхности или также центры в более глубоких слоях твердого тела. Эта информация важна, поскольку различные виды кислорода направляют поверхностную реакцию либо в сторону ценных продуктов окисления, либо в сторону полного сгорания углеводорода до углекислого газа. Установлено, что только при очень высоких температурах и в сильно восстановительных условиях происходит обмен атомов кислорода в решетке катализатора на атомы кислорода из газовой фазы. В условиях, когда катализатор производит ценные продукты реакции, такие как пропилен или оксигенаты, это вряд ли возможно и можно измерить только после длительного периода эксплуатации. Это означает, что устоявшиеся концепции механизма и конструкции окислительного катализа должны быть пересмотрены, чтобы добиться устойчивого использования сырья, избегая его полного сгорания до углекислого газа.