沸石是极多孔的材料：10 克的内表面积可以达到一个足球场那么大。它们的空腔使它们可用于催化化学反应，从而节省能源。一个国际研究小组现在对水分子在这些过程中的作用有了新的发现。一项重要的应用是将生物质转化为生物燃料。
由生物质制成的燃料被认为是气候中性的，尽管生产它仍然需要能源：所需的化学反应需要高水平的温度和压力。
“如果我们在未来不使用化石能源并有效地大规模利用生物质，我们还必须找到减少处理生物质所需能源的方法，”化学技术教授 Johannes Lercher 说。慕尼黑工业大学 (TUM) 和美国华盛顿州里奇兰太平洋西北国家实验室综合催化研究所所长。
Lercher 与一个国际研究团队合作，仔细研究了水分子在沸石孔径小于 1 纳米的孔内反应中的作用。
一切从酸开始
酸的一个特性是它很容易提供质子。因此，当加入水中时，盐酸分裂成带负电荷的氯阴离子，就像在食盐晶体中发现的那些，以及附着在水分子上的带正电荷的质子。这会产生带正电的水合氢离子，它看起来会进一步传递这个质子，例如传递给有机分子。
当有机分子“被迫”接受质子时，它会试图稳定自己。因此，醇可以产生具有双键的分子——这是从生物质到生物燃料的典型反应步骤。沸石壁稳定了转化过程中发生的过渡态，因此有助于将发生反应所需的能量降至最低。
沸石作为酸
沸石的晶体结构中含有氧原子，这些氧原子已经携带质子。像分子酸一样，它们通过与水的相互作用形成水合氢离子。
然而，当水合氢离子分散在水中时，它们仍然与沸石密切相关。化学预处理可以改变这些活性中心的数量，从而在沸石的孔中建立一定密度的水合氢离子。
每个反应的理想沸石
通过系统地改变空腔的大小、活性位点的密度和水的量，研究小组能够阐明最能催化所选示例反应的孔径和水浓度。
“一般来说，可以通过缩小孔隙和提高电荷密度来提高反应速率，”Johannes Lercher 解释说。“然而，这种增加有其局限性：当事物变得过于拥挤并且电荷彼此过于接近时，反应速率再次下降。这使得为每个反应找到最佳条件成为可能。”
“沸石通常适合作为所有化学反应的纳米反应器，其反应伙伴适合孔中并使用酸作为催化剂，”Lercher 强调说。“我们正处于发展的初期，即使在低温下也有可能增加分子的反应性，从而在燃料或化学品的生产中节省大量能源。”
