촉매 소개
출처: 라이언 리차즈 박사 연구소 — 콜로라도 광산 학교
촉매는 현대 기술의 가장 중요한 분야 중 하나이며 현재 Haber 프로세스를 통해 생산된 비료를 통해 전 세계 인구의 약 35%와 전 세계 인구의 약 33%를 차지하고 있습니다. 1 촉매는 활성화 에너지를 낮추고…
1. 보로하이드라이드 나트륨과 혼합된 4-니트로페놀 솔루션 준비
- 무게 14 4 니트로 페놀의 mg 유리 유리 바이알에 DI 물의 10 mL에 용해.
- 57 mg의 나트륨 보하이드라이드의 무게를 달고 15 mL의 DI 물에 용해하십시오.
- 두 가지 용액과 마그네틱 스터드를 실온에서 30분 간 혼합하여 균일한 용액에 넣습니다. 표준 프로토콜 보호로 실험실 코트, 안전 고글 및 장갑이 필요합니다.
2. 촉매 용액의 준비
- 활성 탄소에 팔라듐 10 mg의 무게를, 과립 탄소에 팔라듐. 10 mg의 활성 탄소를 대조군으로 계량합니다.
- 무게가 측정된 촉매를 바이알에 옮기고 각 유리병에 100mL의 DI 물을 추가합니다.
- 촉매가 물에 잘 분배될 때까지 135W의 출력 출력으로 바이알을 10분 동안 초음파 처리합니다.
3. 4-니트로페놀의 촉매 감소
- 준비된 4-니트로페놀 및 보로하이드라이드 용액의 1.15mL을 측정하고, 5mL 유리 바이알로 옮김한다.
- 바이알에 용액의 색상을 기록하고 10분 간 기다렸다가 솔루션 색상에 변화가 있는 경우 기록합니다.
- 활성 탄소 촉매 용액에 준비된 팔라듐 1mL을 바이알에 넣고 20s를 위해 유리병을 손으로 흔들어 줍니다. 20분 동안 반응을 관찰하고, 솔루션 색상이 변경되기 시작하고 솔루션 색상이 완전히 투명하게 퇴색할 때 를 기록합니다.
- 세분화된 탄소 촉매 용액에 팔라듐과 동일한 절차를 반복합니다.
- 활성 탄소 촉매 용액과 동일한 절차를 반복하십시오.
- 반응 시간의 0, 5, 10, 15 및 20 분 후에 3개의 촉매 사이 색깔 변경을 비교합니다. 이러한 변화를 정량화하려면 20분 반응 간격 동안 샘플의 UV-Vis 스펙트럼을 측정합니다.
촉매는 더 적은 에너지를 사용하여 화학 반응이 더 빠르게 일어날 수 있도록 화학 시스템에 추가되는 물질입니다.
반응을 시작하는 데 필요한 최소 에너지량을 활성화 에너지라고 합니다. 촉매는 더 낮은 활성화 에너지로 대체 반응 경로를 제공하여 덜 극단적인 조건에서 반응이 일어날 수 있도록 합니다. 활성화 에너지는 Arrhenius 방정식으로 설명됩니다.
효소는 매우 특이적인 촉매로 작용하는 생물학적 분자입니다. 효소는 형태에 따라 다르며, 기질(substrate)이라고 하는 반응 분자를 반응을 위한 최적의 구성으로 안내합니다. 균질한 촉매는 반응물과 동일한 상에 있습니다. 가장 빈번하게, 촉매와 반응물은 모두 액체상에 용해됩니다. 이종 촉매에서 촉매와 반응물은 상 경계로 분리된 서로 다른 상에 있습니다. 일반적으로 이종 촉매는 고체이며 지지 물질에 분산된 나노 크기의 촉매 실체(일반적으로 금속 나노 입자)로 구성됩니다.
일반적으로 탄소, 실리카 또는 금속 산화물과 같은 지지 물질은 표면적을 증가시키고 나노 입자의 응집에 대한 안정성을 부여하는 데 사용됩니다. 다공성 멤브레인 및 비드, 메쉬 및 적층 시트는 촉매 작용에 사용되는 지지 형상 중 일부입니다.
이종 촉매 작용에서 나노 입자는 반응이 일어나는 표면에 활성 부위를 가지고 있습니다. 반응에 따라 이러한 활성 부위는 입자 표면의 평면 면 또는 결정 가장자리일 수 있습니다. 일반적으로 더 작은 나노 입자는 촉매 몰당 표면 원자의 양이 더 많기 때문에 더 높은 촉매 활성을 갖습니다.
이 비디오는 촉매 작용의 기초를 강조하고 실험실에서 기본적인 촉매 반응을 수행하는 방법을 보여줍니다.
촉매에는 여러 유형이 있습니다. 고온에서는 분자가 더 빨리 움직이고 더 자주 충돌합니다. 분자 충돌의 비율이 더 높기 때문에 반응물은 반응의 활성화 에너지를 극복하기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다. 촉매는 더 낮은 온도에서 충돌 비율을 증가시키는 대체 반응 메커니즘을 제공하여 반응을 완료하는 데 필요한 에너지의 양을 줄입니다. 촉매는 여러 화학적 변형에 참여할 수 있지만 반응 완료 시 변하지 않으며 재활용 및 재사용할 수 있습니다.
촉매 표면에서의 반응은 활성 부위에 대한 시약의 흡착으로 시작하여 표면에서의 반응이 이어집니다. 표면 반응은 Eley-Rideal 메커니즘이라고 하는 하나의 흡착된 종과 벌크의 종 사이 또는 Langmuir-Hinshelwood 메커니즘이라고 하는 두 개의 흡착된 종 사이에서 발생할 수 있습니다. 그런 다음 제품은 표면에서 벌크로 탈착합니다.
이제 촉매 작용의 기초를 이해했으므로 지상 활성탄에 지지되는 상업적으로 이용 가능한 팔라듐 촉매를 사용하여 4-니트로페놀을 4-아미노페놀로 환원시키는 방법을 살펴보겠습니다. 반응 진행은 반응 중에 발생하는 색상 변화를 사용하여 측정됩니다.
실험을 시작하기 전에 실험복, 보안경, 장갑과 같은 적절한 개인 보호 장비를 착용해야 합니다. 재료를 준비하려면 먼저 14mg의 4-니트로페놀 무게를 측정하고 유리 바이알에 10mL의 탈이온수에 용해시켜 10mM 용액을 만듭니다. 다음으로 57mg의 수소화붕소나트륨의 무게를 측정하고 15mL의 DI 물에 용해시켜 100mM 용액을 만듭니다. 두 가지를 섞고 실온에서 저어 균일한 용액을 만듭니다. 수소화붕소나트륨은 촉매 없이는 4-니트로페놀을 완전히 환원시킬 수 없으므로 용액 색상이 변하지 않아야 합니다. 활성탄에 팔라듐 10mg을 넣고 촉매가 없는 활성탄 10mg을 대조군 샘플로 칭량합니다.
계량된 촉매를 별도의 바이알에 옮기고 각각에 100mL의 탈이온수를 추가합니다. 촉매가 물에 잘 분포될 때까지 135W의 출력 전력으로 바이알을 초음파 처리합니다.
이제 재료가 준비되었으므로 4- 니트로 페놀의 촉매 환원을 수행 할 수 있습니다. 준비된 4-니트로페놀 및 수소화붕소나트륨 용액 1.15mL를 계량하고 5mL 유리 바이알에 옮깁니다.
바이알에 있는 용액의 색상을 관찰하고 기록합니다. 준비된 팔라듐 on active carbon catalyst 용액 1mL를 바이알에 넣고 손으로 흔들어 섞습니다.
20분 동안 반응을 관찰하고 용액 색상이 변하기 시작한 다음 완전히 사라지는 시점을 기록합니다. 모든 색상이 희미해지면 반응이 완료됩니다.
활성탄 제어 용액에 대해 동일한 절차를 반복합니다. 반응이 진행됨에 따라 색상이 노란색에서 무색으로 변하여 4- 니트로 페놀의 소비를 나타냅니다. 이 변화를 정량화하려면 400nm에서 샘플의 UV-Vis 흡광도를 측정합니다.
흡광도 대 시간의 자연 로그를 플로팅합니다. 흡광도는 반응이 진행되는 동안 감소하여 4-니트로페놀의 소비를 나타냅니다. 대조군 샘플은 촉매 활성을 나타내지 않았습니다.
촉매는 광범위한 산업 및 과학 분야에서 매우 중요합니다.
팔라듐 촉매가 존재하면 헥 반응(Heck Reaction)으로 알려진 탄소-탄소 결합 반응이 발생합니다. Heck 반응은 전이 금속 촉매 결합 반응을 위한 최초의 올바른 메커니즘으로 간주됩니다. 그것은 현대 촉매에 매우 가치가 있어 Richard F. Heck은 그의 발견으로 노벨 화학상을 받았습니다. Heck Reaction은 이 실험에서 볼 수 있듯이 팔라듐 촉매를 사용하여 수행할 수 있습니다. 여기서, 촉매는 실온에서 합성하였다. 반응 후, 핵 자기 공명 분광법(NMR)을 사용하여 생성물을 분석했습니다.
자연에서 효소는 광범위한 생물학적 반응을 가능하게 하는 촉매입니다. 예를 들어, 아세테이트 키나아제는 아세테이트를 아세틸 포스페이트로 가역적으로 변환하는 것을 촉진하는 미생물에서 발견되는 효소입니다.
효소 활성은 표준 곡선과 함께 UV-Vis 분광 광도계를 사용하여 측정되었습니다.
소비된 아세틸 포스페이트의 양은 반응 전반에 걸쳐 모니터링되었으며 효소 반응 속도학은 시간의 함수로 표시되었습니다.
폴리머는 촉매 작용을 활용할 수 있는 또 다른 분야입니다. 여기에서 별 모양의 고분자 입자가 합성되었습니다.
먼저, 촉매를 제조하여 실온에서 건조시켰다. 그런 다음 고분자 분기를 촉매와 혼합한 다음 가교제를 첨가하여 입자를 형성했습니다.
그런 다음 겔 투과 크로마토그래피를 사용하여 입자 크기를 분석했습니다. 이 예에서 제작된 스타 폴리머와 같은 고분자 나노 입자는 약물 전달 및 자체 조립과 같은 광범위한 응용 분야에 사용됩니다.
방금 JoVE의 Introduction to catalysis를 시청하셨습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 촉매 작용의 개념과 실험실에서 간단한 반응을 실행하는 방법을 이해해야 합니다.
시청해 주셔서 감사합니다!
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Q1: What is activation energy and how do catalysts lower it?
Activation energy is the minimum energy required to initiate a chemical reaction. Catalysts provide an alternate reaction pathway with lower activation energy, enabling reactions to occur under less extreme conditions. This allows reactions to proceed faster at lower temperatures without being consumed in the process.
Q2: What is the difference between homogeneous and heterogeneous catalysis?
Homogeneous catalysts exist in the same phase as reactants, typically dissolved together in liquid. Heterogeneous catalysts are in a different phase, separated by a phase boundary. Heterogeneous catalysts are commonly solid metal nanoparticles dispersed on support materials like carbon or silica to increase surface area and prevent aggregation.
Q3: How do enzymes function as biological catalysts?
Enzymes are biological molecules that act as extremely specific catalysts. They are shape-specific and guide substrate molecules into optimal configurations for reaction. Enzymes enable a wide range of biological reactions, such as acetate kinase facilitating the conversion of acetate to acetyl phosphate in microorganisms.
Q4: Why do smaller nanoparticles have higher catalytic activity?
Smaller nanoparticles have higher catalytic activity because they contain more surface atoms per mole of catalyst. Active sites on nanoparticle surfaces, which may be planar faces or crystal edges, are where reactions occur. Greater surface area relative to volume increases the number of available active sites for reactants to interact with.
Q5: What happens during the surface reaction mechanisms in heterogeneous catalysis?
Surface reactions begin with adsorption of reagents to active sites. The Eley-Rideal mechanism involves reaction between one adsorbed species and one in bulk solution. The Langmuir-Hinshelwood mechanism involves reaction between two adsorbed species. Products then desorb from the surface into bulk solution, regenerating the catalyst.
Q6: How is the reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol monitored in the laboratory?
The reaction progress is monitored through color change using nuclear magnetic resonance nmr spectroscopy for product analysis. UV-Vis absorbance is measured at 400 nm to quantify the consumption of 4-nitrophenol. Plotting the natural log of absorbance versus time shows the reaction kinetics, with complete color fade indicating reaction completion.
Q7: Why are catalysts important to modern industry and technology?
Catalysts account for approximately 35% of global GDP and sustain about 33% of the world population through applications like the Haber process for fertilizer production. They enable carbon-carbon coupling reactions such as the Heck Reaction, facilitate polymer synthesis, and support drug delivery applications. Catalysis is central to addressing modern energy and environmental challenges.