Сутегі молекулалары арасындағы байланыстарды үзу үшін зерттеушілер алтын, титан және ультракүлгін сәулеленуді қолданды. Алынған сутегі көмірқышқыл газын этиленге айналдыру үшін пайдаланылды.

Гидрирлеудің өнеркәсіптегі маңызы

Гидрирлеу — сутегіні органикалық қосылыстарға қосу реакциясы — химия өнеркәсібінде маңызды рөл атқарады. Бұл процесс арқылы мұнайдан отын, пластмасса, жуғыш заттар, спирттер, қоюлатқыштар мен тағам өнеркәсібіне арналған тұрақтандырғыштар алынады.

Катализаторлар және сутегіні диссоциациялау механизмдері

Гидрирлеу реакциясын жүргізу үшін молекулалық сутегіні (H₂) жеке атомдарға бөлу қажет — бұл кезең диссоциация деп аталады. Екі негізгі механизм бар: гомолитикалық және гетеролитикалық диссоциация. Бұл реакцияларды жеделдету үшін жиі сирек әрі қымбат металдар — алтын, мыс, платина және палладий катализатор ретінде қолданылады.

Гетеролитикалық диссоциация әдетте жоғары температура мен қысымды талап етеді, нәтижесінде сутегінің оң және теріс зарядталған иондары түзіледі. Гомолитикалық диссоциация екі бейтарап сутегі атомының түзілуіне әкеледі. Өнеркәсіпте гомолитикалық жол тиімдірек, себебі ол реакцияға оңай түсетін «белсенді» сутегіні түзеді. Алайда бұл процесс энергияны көп қажет етеді және жоғары температураға байланысты қауіпті.

Сутегіні диссоциациялаудың жаңа тәсілі

Зерттеушілер H₂ гетеролитикалық диссоциациясының инновациялық стратегиясын ұсынды. Катализатор ретінде алтын нанобөлшектері бар титан диоксиді (Au/TiO₂) қолданылып, жүйе 365 нанометр толқын ұзындығындағы ультракүлгін жарықпен сәулелендірілді. Бұл тәсіл сутегіні бөлуді бөлме температурасында жүзеге асыруға мүмкіндік берді. Жұмыстың нәтижелері Science журналында жарияланды.

Фотохимиялық диссоциация механизмі

Мақалада сутегінің фотохимиялық диссоциация механизмі егжей-тегжейлі сипатталған. Ультракүлгін әсерінен электрондар TiO₂-дан алтын нанобөлшектеріне өтеді, ал кемтіктер Au–O–Ti құрылымдары түзілген шекарадағы ақаулармен ұсталады. Электрондар алтынға да, кемтіктерге де жақын орналасып, электрон-кемтік жұптарын түзіп, сутегі атомдары арасындағы байланысты үзуге ықпал етеді.

Нәтижелер мен қолдану перспективалары

Ғалымдар H₂ диссоциациясының белсенділігі ультракүлгін сәулелену қарқындылығына іс жүзінде сызықты тәуелді екенін анықтады, бұл жарықтың бөлме температурасында реакция катализаторы ретіндегі рөлін растайды.

Дайындалған процесс инертті көмірқышқыл газын (CO₂) бөлме температурасында этанға дейін қалпына келтіруге мүмкіндік берді, ал кейінгі фотокаталитикалық дегидрирлеу этиленнің түзілуіне әкелді. Реакция тиімділігі 1500 сағаттық ультракүлгін сәулелену кезінде 99%-дан асты. Әдіс күн сәулесімен де сәтті жұмыс істеді, себебі күн спектрінде қажетті ультракүлгін толқын ұзындығы бар.

Бұл нәтижелер ұсынылған әдістің тек ғылыми зерттеулерде ғана емес, өнеркәсіпте де сұранысқа ие болатынына үміт береді. Ғалымдар бұл стратегияны күн сәулесі немесе фототермиялық сәулеленуді қолданатын химиялық өндірістерді жаңғыртуға арналған технологияға айналдыруға болатынын көреді.