Новая эра в изучении катализаторов: сверхбыстрые рентгеновские лучи раскрывают секреты химических процессов

22.04.2025 19:56:00 | iXBT.com

Современная промышленность — от производства топлива до очистки воды — зависит от катализаторов, ускоряющих химические реакции. Учёные из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) запустили уникальную установку Beam Line 10-2, которая позволяет в режиме реального времени наблюдать, как работают эти «невидимые двигатели» химии. Это не просто улучшение — это шаг к созданию более эффективных материалов для энергетики, экологии и даже быстрой зарядки гаджетов.

Принцип работы линии напоминает сверхскоростную камеру для съёмки молекул. Рентгеновские лучи, генерируемые в ускорителе SSRL, проходят через специальное устройство — монохроматор. Оно действует как фильтр, выделяя лучи строго определённой энергии, словно настраивая микроскоп на нужное увеличение. Раньше получение одного «снимка» структуры катализатора занимало 90 секунд. Новая система, благодаря инновационному механизму с точностью до тысячной доли градуса, делает 72 000 таких снимков за час. Это позволяет фиксировать даже мгновенные изменения в катализаторах — например, как они ведут себя при повышении температуры или давления.

Установка Beam Line 10-2, оснащённяа инновационным быстросканирующим монохроматором. Источник: Jacqueline Orrell / SLAC National Accelerator Laboratory

Ключевое преимущество Beam Line 10-2 — возможность изучать материалы в условиях, максимально близких к реальным. Учёные могут имитировать среду промышленного реактора или выхлопной системы автомобиля, меняя состав газов, температуру и давление. Например, добавляя кислород, можно увидеть, как окисляется поверхность катализатора, и найти способ это предотвратить. Такие эксперименты уже помогли оптимизировать процессы создания пластиков и топлива, сократив энергозатраты.

Установка также открывает перспективы для создания батарей будущего. При быстрой зарядке внутри аккумуляторов происходят реакции, разрушающие их структуру. Сверхбыстрое сканирование на Beam Line 10-2 позволяет «увидеть» эти процессы и разработать материалы, которые выдержат тысячи циклов без потери ёмкости.

Проект, реализованный консорциумом Co-ACCESS при поддержке Стэнфордского университета, стал результатом пятилетней работы. Инженерам удалось интегрировать новейший монохроматор с системами 30-летней давности, сохранив 80% инфраструктуры. С появлением Beam Line 10-2 исследования, которые раньше занимали месяцы, будут завершаться за дни, ускоряя переход к «зелёной» экономике.

Подробнее