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綠色化學-生物無機及觸媒化學

 (文: 東吳大學 化學系 施建弘)

 

中央研究院化學研究所江明錫教授簡介

個人經歷:

 1.助理研究員(民國94年迄今)。

 2.國立彰化師範大學學士(民國82年)

 3.美國Indiana University at Bloomington博士(民國90年)

 4.美國能源部Argonne國家實驗室博士後研究員(民國90年至93年)

 5.國立清華大學博士後研究員(民國93年至94年)

 

研究領域:

1.模擬生物體中金屬化合物之研究,進而了解生物體內酵素的催化機構,

  以及發展出有效率之生物觸媒來產生廉價的再生能源。

2.生物系統中順磁分子的研究,以及其在材料上的應用。

3.研究奈米材料作為光電觸媒。

 

催化劑的介紹

綠色化學強調再利用,而催化劑(Catalysts)在綠色化學的應用中扮演非常重要的角色。所謂催化劑即是化學反應過程中可被用來改變反應途徑、降低反應所需之活化能及加速反應速率的物質,同時此物質在反應前後並不會被消耗掉,可以再利用。催化反應在日常生活中是無所不在的,例如,光合作用(酵素)、酒(發酵)、生質轉換(Biomass conversion)Biofuel production等。

 

 光合成(Photosynthesis)

 

生質轉換(Biomass conversion)

 

催化劑的種類

催化劑的種類有異相催化劑(HeterogeneousCcatalysts)與均相催化劑(Homogeneous catalysts)兩種,其中:

異相催化劑:代表催化劑與反應物、產物屬於不同物理狀態,一般而言,催化劑為固態,反應物為氣態或液態,其優點為

1.催化劑非常堅固,耐高溫、高壓及分離容易。

2.接觸面積大,可加速反應速率。

 

催化反應

異相催化反應具有兩種反應機制,一為利用物理表面吸附(Physisorption)進行催化反應,另一為化學表面吸附(Chemisorption)進行催化反應。以下圖為例,在物理表面吸附中,氫氣先以物理吸附的方式吸附在鎳金屬表面上,此時氫氣並沒分離。而在化學表面吸附中,反應物會先發生化學變化,再吸附於催化劑上,如圖中氫氣先分離成兩個氫,再吸附於鎳金屬表面。

在異相催化反應中,催化劑的選擇相當重要,不同固相催化劑對不同氣體有不同之吸附能力與選擇性。

均相催化劑代表起始物、生成物與催化劑都在同一物理狀態中,因此反應速度較快,但是不好分離。若以下圖為例

此時,起始物要與催化劑進行反應,催化劑一定要先產生反應活性位置,由上圖可知,首先將催化劑中心活化,即讓它產生空位進行活化的動作,接著起始物就可進入催化劑空出之位置進行化學反應,等反應結束後,再進行脫去,使催化劑仍具有活性中心,可持續進行催化反應與再利用。