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使用短的闪光x射线使科学家们一个大的一步向发展中更好的催化剂将温室气体甲烷转换为更少的有害的化学物质。结果发表在《科学》杂志上,首次揭示了碳氢键的烷烃打破和在这个反应的催化剂是如何工作的。

甲烷,其中一个最强大的温室气体,正在以越来越快的速度释放到大气中,畜牧业以及持续的永久冻土层解冻。将甲烷和长烷烃转化为更少的有害的和实际上有用的化学物质将消除相关的威胁,进而提供一个巨大的化学工业的原料。然而,改变甲烷需要作为第一步一个碳氢键的断裂,最强大的化学本质上的联系。

四十年前,分子金属催化剂被发现,可以很容易地分离碳氢键。唯一发现必要的是一个短的可见光flash“开关”的催化剂,通过魔法,强烈的烷烃通过碳氢键附近容易破碎几乎不使用任何能量。尽管这种所谓的碳氢键活化反应的重要性,它仍然未知在过去的几十年里,催化剂如何执行这个函数。

乌普萨拉大学的科学家领导的研究是在瑞士与保罗谢勒研究所合作,斯德哥尔摩大学、汉堡大学在德国和欧洲XFEL。第一次,科学家们就能够直接观察催化剂在工作和显示它如何打破这些碳氢键。

在两个实验在瑞士保罗谢勒研究所,研究人员能够遵循的铑催化剂之间的电子交换和一群辛烷碳氢键就坏了。使用Alvra和凤凰beamlines位于两个世界上最强大的x射线闪光的来源,x射线激光SwissFEL和x射线同步加速器瑞士光源,随后的反应可以从开始到结束。测量显示的初始光致活化催化剂在400飞秒(0.0000000000004秒)最后碳氢键断裂后14个纳秒(0.000000014秒)。

“我们执行的时间分辨x射线吸收实验只可能在大规模设施SwissFEL和瑞士光源,提供非常明亮和短的x射线脉冲。催化剂是沉浸在一个密集的辛烷的解决方案,但通过金属的角度,我们可以专门选择一个碳氢键的成千上万的打破,“拉斐尔周杰伦解释道,乌普萨拉大学研究员,领导这项研究的实验者。

解释复杂的实验数据,理论家从乌普萨拉大学和斯德哥尔摩大学合作和执行先进的量子化学计算。

“我们的计算使我们能够清楚地识别电子电荷流动之间的金属催化剂和碳氢键组在正确的比例。我们可以看到从金属到碳氢键胶两个化学组在一起。相反的方向流动的电荷相反,充当一个剪刀,最终打破了C和H原子分开,”Banerjee Ambar解释说,乌普萨拉大学的博士后研究员,这项研究的主要理论家。

研究解决了四十岁谜如何激活催化剂可以打破强大碳氢键通过仔细地分数的电子交换和不需要巨大的温度或压力。与他们的新工具,研究人员接下来想学习如何引导电子帮助开发更好的催化剂的化学工业为了使甲烷和其它烷烃一些有用的东西。

参考:Banerjee Jay RM,莱特纳T, et al。跟踪碳氢键活化与轨道决议。科学。2023,380 (6648):955 - 960。doi:10.1126 / science.adf8042

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