APPLIED RESEARCH

Investigation of mechanisms of catalytic reactions using experimental and theoretical methods of physical chemistry

Authors

  • Ruicheng Liu Lomonosov Moscow State University, 119991, Moscow, Leninskie Gory, 1

How to cite

GOST Liu R. Investigation of mechanisms of catalytic reactions using experimental and theoretical methods of physical chemistry // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2026. Vol. 70. No. 2. P. 169-180.
APA Liu, R. (2026). Investigation of mechanisms of catalytic reactions using experimental and theoretical methods of physical chemistry. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 70(2), 169-180.

Abstract

The article summarizes modern views on the mechanisms of catalytic transformations determining the formation, functionality, and degradation of building materials, with an emphasis on the integration of instrumental methods of physical chemistry and computational modeling. Multistage processes of hydration of cement binders, polymerization of binders, geopolymerization, photocatalytic self-cleaning of coatings, and biocatalytically induced destruction of polymeric components are considered, for which kinetics under multicomponent heterogeneous media conditions with evolving microstructure is characteristic. Based on the systematization of data on catalytic systems of various natures, it is shown that the reduction in activation energy varies in a wide range of 19.8–65.0% with noticeable heterogeneity of effects: the maximum barrier reduction and the highest acceleration coefficient at 293 K are characteristic of the photocatalytic decomposition of NOₓ on TiO₂, while enzymatic hydrolysis of siloxane bonds provides comparable catalytic efficiency of the same order at a fundamentally different activation mechanism. A comparison of calculated and experimental activation energies for a number of reactions is presented; a systematic tendency to underestimate barriers by the PBE functional and higher predictive stability of B3LYP with an average absolute deviation of about 6% is revealed, which makes hybrid approaches suitable for semi-quantitative screening of additives. The relationships between catalytically induced changes in the microstructure of cement stone and strength are analyzed: a strong inverse correlation between the average pore size and strength at 28 days (r = –0.91) is demonstrated, and a multifactor description through the degree of hydration and porosity characteristics explains the major share of strength variation. For photocatalytic coatings, the multiscale nature of elementary stages is revealed, and it is shown that the low total quantum yield of complete NOₓ conversion of about 0.74% is due to a cascade of recombination and surface transformations, limited by NO₂ oxidation. The presented quantitative dependencies and conclusions allow assessing the relevance of the work for the design of modified binders and functional coatings, as well as for predicting material durability under operational conditions.

Keywords

catalytic reactions building materials activation energy TiO₂ photocatalytic coatings DFT (PBE/B3LYP)

References

Ахунов И.Р., Ахмадишин З.Ш., Спивак С.И. Математическая интерпретация кинетического эксперимента сложных реакций сопряженного окисления // Химическая физика. 1982. Т. 1. № 12. С. 1660–1665.

Боресков Г.К., Поповский В.В., Мамедов Э.А. Соотношение кинетических параметров каталитической реакции и ее стадий // Доклады Академии наук СССР. 1971. Т. 197. № 2. С. 373–376.

Боресков Г.К. Механизм реакции каталитического окисления на твердых окисных катализаторах // Кинетика и катализ. 1973. Т. 14. № 1. С. 7–24.

Боресков Г.К., Соколовский В.Д. Исследования в области механизма реакций гетерогенного каталитического окисления // Известия Сибирского отделения Академии наук СССР. Серия химических наук. 1976. № 4-2. С. 46–57.

Давыдова Л.П., Булгаков Н.Н., Александров В.Ю., Поповский В.В. Исследование механизма реакции окисления водорода на окисных медномагниевых катализаторах с применением метода взаимодействующих связей // Кинетика и катализ. 1980. Т. 21. № 4. С. 988–994.

Евстигнеев В.А., Яблонский Г.С. К обоснованию одного соотношения стационарной кинетики каталитических реакций // Кинетика и катализ. 1979. Т. 20. № 6. С. 1549–1555.

Коледина К.Ф., Коледин С.Н., Губайдуллин И.М. и др. Информационная система построения кинетической модели каталитической реакции, планирование экономически оптимального химического эксперимента // Системы управления и информационные технологии. 2015. № 3 (61). С. 79–84.

Кольцов Н.И., Алексеев Б.В. К определению числа стационарных экспериментов для нахождения параметров кинетических моделей каталитических реакций // Журнал физической химии. 1989. Т. 63. № 4. С. 1125–1128.

Мамедов Э.А., Поповский В.В., Боресков Г.К. Исследование механизма реакции каталитического окисления водорода на окиси железа // Кинетика и катализ. 1969. Т. 10. № 4. С. 852–862.

Мамедов Э.А., Поповский В.В., Боресков Г.К. Исследование механизма реакции каталитического окисления водорода на окислах переходных металлов IV периода: 2. Cr2O3, V2O5, CuO // Кинетика и катализ. 1970. Т. 11. № 4. С. 969–978.

Писаренко Е.В., Ермолаева А.Н. Исследование кинетики реакции конверсии синтез-газа в метанол // Успехи в химии и химической технологии. 2007. Т. 21. № 1 (69). С. 103–105.

Сапунов В.Н., Михайлюк А.И., Литвинцев И.Ю. Кинетика и механизм каталитического гидроксилирования фенола пероксидом водорода. 6. Физическая модель и механизм реакции // Кинетика и катализ. 1998. Т. 39. № 3. С. 365–375.

Слинько М.Г., Яблонский Г.С. Динамика каталитических реакций // Проблемы кинетики и катализа. 1978. Т. 17. С. 154–170.

Харламов В.Ф., Харламов Ф.В. Тестирование механизма каталитических реакций // Химическая физика. 2008. Т. 27. № 2. С. 47–51.

Швец В.Ф. Введение в химию каталитических реакций // Соросовский образовательный журнал. 1996. Т. 2. № 6. С. 33–40.

Metrics

97 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 5 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.