伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学工程师现在了解水分子如何在某些环境中组装和改变形状，揭示了一种加速对工业和环境可持续性至关重要的化学反应的新策略。这种新方法有望在帮助化学品制造商远离有害溶剂催化剂而转向水方面发挥作用。

他们的方法利用了称为沸石的纳米级微孔晶体中的孔洞、隧道和通道。一些沸石内的孔隙空间非常狭窄，当被水饱和时，它们只能在其范围内容纳单分子链。研究人员说，这些单列水分子链具有与普通水或“散装”水不同的热化学性质，这对许多科学学科都有影响。

这项由化学和生物分子工程教授 David Flaherty 领导的研究发表在Nature Catalysis杂志上。

沸石的作用类似于微小的海绵、过滤器甚至催化剂，多年来一直被用于吸收环境溢出物并净化水和其他化学物质的材料。研究人员了解到，沸石孔内与水的相互作用极大地影响了它们作为催化剂的稳定性，但尚不清楚这种情况如何或为什么会发生。

在实验室中，该团队使用光谱方法测量体相中水分子的形状和排列与限制在一系列孔径逐渐变小的沸石中的水分子之间的系统差异，包括 1.3、0.7、0.5 和 0.3纳米——比人类头发的厚度小 5,000 到 10,000 倍。

“我们看到沸石孔隙中小水分子簇附近的化学反应速率高于那些没有水或大块水的水分子，”弗拉厄蒂说。“由反应引起的水中熵变化、反应速率和沸石孔大小之间的相关性表明，水簇和链结构的变化是催化速率提高的原因。”

“当链状水结构不得不重新组织以适应反应分子时，它导致了出乎意料的——而且是戏剧性的——速率增加，”主要作者和前伊利诺伊州研究生 Daniel Bregante 说。“这些发现是理解为什么催化剂、溶剂和反应物的某些组合比其他组合产生更高速率的重要难题。”

从技术角度来看，研究人员表示，他们现在知道如何设计更好的合成沸石并对其进行调整以影响多种类型的反应。

“这一原理也适用于沸石和其他化学过程以外的材料，”弗莱厄蒂说。“例如，电催化和其他吸附和分离技术使用微孔材料来转化或纯化碳氢化合物或生物质衍生产品。” 该团队的工作可能会改变其他人为这些应用设计和合成材料的方式。

伊利诺伊州教授迪瓦卡尔舒克拉;研究生Matthew Chan、Junzhi Tan和Zeynep Ayla;伊利诺伊州德斯普兰斯霍尼韦尔的 Christopher Nicholas 参与了这项研究。