沸石是一種極多孔的材料：10克的內(nèi)表面積可以達(dá)到一個(gè)足球場(chǎng)那么大。它們的空腔使它們可用于催化化學(xué)反應(yīng)，從而節(jié)省能源。一個(gè)國(guó)際研究小組現(xiàn)在對(duì)水分子在這些過(guò)程中的作用有了新的發(fā)現(xiàn)。一項(xiàng)重要的應(yīng)用是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料。由生物質(zhì)制成的燃料被認(rèn)為是氣候中性的，盡管生產(chǎn)它仍然需要能源：所需的化學(xué)反應(yīng)需要高水平的溫度和壓力。

如果我們?cè)谖磥?lái)不使用化石能源并有效地大規(guī)模利用生物質(zhì)，我們還必須找到減少處理生物質(zhì)所需能源的方法，”化學(xué)技術(shù)教授JohannesLercher說(shuō)。慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)和美國(guó)華盛頓州里奇蘭太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室綜合催化研究所所長(zhǎng)。Lercher與一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)合作，仔細(xì)研究了水分子在沸石孔徑小于1納米的孔內(nèi)反應(yīng)中的作用。

酸的一個(gè)特性是它很容易提供質(zhì)子。因此，當(dāng)加入水中時(shí)，鹽酸分裂成帶負(fù)電荷的氯陰離子，就像在食鹽晶體中發(fā)現(xiàn)的那些，以及附著在水分子上的帶正電荷的質(zhì)子。這會(huì)產(chǎn)生帶正電的水合氫離子，它看起來(lái)會(huì)進(jìn)一步傳遞這個(gè)質(zhì)子，例如傳遞給有機(jī)分子。當(dāng)有機(jī)分子“被迫”接受質(zhì)子時(shí)，它會(huì)試圖穩(wěn)定自己。因此，醇可以產(chǎn)生具有雙鍵的分子——這是從生物質(zhì)到生物燃料的典型反應(yīng)步驟。沸石壁穩(wěn)定了轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)生的過(guò)渡態(tài)，因此有助于將發(fā)生反應(yīng)所需的能量降至最低。

天然沸石的晶體結(jié)構(gòu)中含有氧原子，這些氧原子已經(jīng)攜帶質(zhì)子。像分子酸一樣，它們通過(guò)與水的相互作用形成水合氫離子。然而，當(dāng)水合氫離子分散在水中時(shí)，它們?nèi)匀慌c沸石密切相關(guān)。化學(xué)預(yù)處理可以改變這些活性中心的數(shù)量，從而在沸石的孔中建立一定密度的水合氫離子。通過(guò)系統(tǒng)地改變空腔的大小、活性位點(diǎn)的密度和水的量，研究小組能夠闡明最能催化所選示例反應(yīng)的孔徑和水濃度。一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)縮小孔隙和提高電荷密度來(lái)提高反應(yīng)速率，但是這種增加有其局限性：當(dāng)事物變得過(guò)于擁擠并且電荷彼此過(guò)于接近時(shí)，反應(yīng)速率再次下降。這使得為每個(gè)反應(yīng)找到最佳條件成為可能。

沸石通常適合作為所有化學(xué)反應(yīng)的納米反應(yīng)器，其反應(yīng)伙伴適合孔中并使用酸作為催化劑，即使在低溫下也有可能增加分子的反應(yīng)性，從而在燃料或化學(xué)品的生產(chǎn)中節(jié)省大量能源。”