日常用品，如处方药、汽油和塑料，在制造过程中都经历了几轮催化过程。工业催化涉及使用催化剂、固定在固体基质上的分子或小块金属，以在保持不变的情况下加速化学反应。科学家们一直在寻找与某些分子而不是其他分子反应的良好催化剂，以减少运行催化过程所需的能量。
在为期三年、价值 450,000 美元的美国能源部拨款中，宾夕法尼亚州立大学的研究人员将研究使用黄金作为催化剂，通过氢化反应产生特定结果。氢化是向化合物中加入氢气的过程，是制造过程中的必要步骤。宾夕法尼亚州立大学化学工程和化学教授兼该赠款的首席研究员伯特·钱德勒 (Bert Chandler) 表示，像黄金这样的高选择性催化剂可以推动解决当前工程项目的问题。
“加氢反应是许多绿色能源问题的关键组成部分，”他说，并指出了在能源运输、储存、低碳能源加工、化学生产中的能源效率和光催化能量捕获方面的潜在应用。“在这种情况下，我们不知道如何为某些反应制造高活性和选择性的催化剂。通过努力了解分子如何在金催化剂上反应，我们相信我们将能够提出新的解决方案，以减轻对环境的负担。”
根据钱德勒的说法，使用黄金作为催化剂是科学界相对较新的成就。三十年前，日本科学家 Masatake Haruta 发现金纳米粒子在二氧化碳氧化反应中起到催化剂的作用。这一发现与数千年的化学研究相矛盾，后者表明黄金大体上是化学惰性的——它与很少的东西发生反应。
“黄金很有价值，因为它具有高度选择性，能与一种分子反应，而不与另一种分子反应，”钱德勒说。“这是化学工程中许多分离和纯化过程中非常理想的特性。”
在接下来的几年里，钱德勒和他的实验室将利用材料合成和表征来开发使用金、二氧化钛和其他金属添加剂作为加氢催化剂的新催化反应。他们的长期目标是精确了解金的表面化学，以开发有效的工业分离和纯化反应。
“在氢化中使用金的问题在于金催化剂非常缓慢，因为氢与金催化剂的相互作用与它与镍或铂等更活泼的金属的相互作用大不相同，”钱德勒说。“我们相信，如果我们了解是什么让它变慢，并且可以正确调整系统，我们就可以提高其整体反应性。”
Chandler 说，如果研究人员成功，氢和金催化剂之间的独特相互作用可能会促进诸如分解废塑料的化学反应。
为此，钱德勒最近还从美国国家科学基金会获得了 375,000 美元的赠款，用于研究使用金催化剂生产化合物氧化氘，这可能有助于促进更小规模和更安全的核电站。Chandler 说，虽然这些项目是独立的，但都旨在推动黄金作为更可持续未来的催化剂。
Chandler 表示，催化最近因其潜在的生态应用而受到越来越多的关注。将2021年诺贝尔化学奖授予了催化的研究人员，对他们的工作与发展的有机分子环境友好催化剂。Chandler于 1 月开始在宾夕法尼亚州立大学任职，目前正在该大学启动一个催化研究中心。
“催化的一个伟大之处在于，在某些方面，它是典型的跨学科科学，”钱德勒说。“它吸收了化学、物理学、工程和材料科学的知识，并利用它们来做重要的、实用的事情，比如清理汽车尾气、将光转化为能量或实现更节能的反应。”
Chandler 表示，博士后研究员 Akbar Mahdavi-Shakib 在与流行病相关的困难情况下为获得资助做出了重大贡献。两人之前曾在德克萨斯州圣安东尼奥市的三一大学一起工作。Mahdavi-Shakib 于 11 月 1 日转学到宾夕法尼亚州立大学。宾夕法尼亚州立大学化学工程二年级博士生 Tae Yong Yun 也将为该项目做出贡献。
