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催化剂究竟如何加速化学反应?——美丽科学与中国化学会合作项目重现化学 | 《催化》

2020-02-14

一些化学反应在催化剂的作用下,反应速率发生改变,而催化剂本身在反应过程中不被消耗。例如,双氧水在常温常压下可以发生分解,但反应速率很慢,几乎无法察觉。但在二氧化锰催化剂的作用下,过氧化氢可以快速分解,产生大量氧气气泡,而二氧化锰本身并没有被消耗。很多催化剂类似二氧化锰,可以提高反应速率,是正催化剂;但也有一些催化剂是负催化剂,也叫抑制剂,可以减缓反应速率。

回顾历史,人类对催化的应用最早可追溯到几千年前的酿酒工艺。酿酒过程是对生物催化的应用,其催化剂是细胞内的各种酶。生命体内发生的化学反应大部分都是催化反应:在酶的协助下,这些反应可以在相对温和的条件下进行,把食物转化为能量和构建身体的营养物质。

1817年英国化学家戴维发现,煤气和空气会在高温的铂丝表面反应,虽然不产生火焰,但这个反应发出的热量可以维持铂丝的红热状态。随后,德国化学家德贝赖纳发现在常温常压下,氢气和氧气可以在海绵铂表面反应,并放出大量的热。利用这一原理,德贝赖纳在1823年发明了在当时广为流传的点火装置。1835年,瑞典化学家贝采利乌斯系统地分析了同时代众多实验发现与科学讨论,第—次提出了“催化”(catalysis)这一学术概念。

对于现代社会,催化的意义不容小视:有大约80%的化工过程都需要使用催化剂;也正是因为催化,我们才能够生产足够的化肥、燃料、化工原料以及生活材料(如塑料),支撑现代社会的发展。与此同时,我们也需要在催化研究领域取得新的突破,以解决在食品、能源、环境、气候等方面人类面临的危机。比如,全球每年的塑料产量已经超过1.5亿吨。但在塑料给我们带来诸多方便的同时,我们无法忽略一个令人震惊的事实:绝大多数塑料在使用后都无法回收,大部分塑料的最终命运是被掩埋,很多也会进入海洋,对陆地和海洋都会造成污染。对此,科学家正在研究可以把塑料(高分子材料)转换为单体(构建高分子的小分子原料)的催化剂,希望实现塑料的高效化学回收,减少塑料造成的环境污染。

——摘自《美丽科学与中国化学会合作项目重现化学 | 《催化》》


催化剂究竟如何加速化学反应?——美丽科学与中国化学会合作项目重现化学 | 《催化》


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