Tværfagligt team designer gasflowcelle til at analysere katalytisk adfærd

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har nu adgang til en banebrydende kapacitet til at studere katalysatorer.

Katalysatorer er specialiserede materialer, der hjælper med at lette kemiske reaktioner, fra raffinering af petrokemiske produkter og rensning af gasser til forarbejdning af brændstof og tilberedning af fødevarer. Ifølge North American Catalysis Society, katalysatorer bidrager til mere end 35 % af det globale BNP og repræsenterer et marked på 12 milliarder dollars alene i USA. Som resultat, forskning i at forstå materialet
egenskaber og optimering af ydeevnen af ​​integrerede katalysatorer under industrielle processer er en høj prioritet i det videnskabelige samfund.

Traditionelle forskningstilgange undersøger kun katalysatoren og andre produkter før eller efter reaktionen har fundet sted. Imidlertid, et team af forskere fra ORNL og Colorado State University har for nylig udviklet en gasstrømscelle, der er i stand til at studere atomstrukturen af ​​disse materialer i realtid. Brug af neutrondiffraktion og total spredningsteknikker, eksperimenter kan efterligne forhold i den virkelige verden med industriel relevans - som katalysatorer i køretøjer - for at give ny indsigt i det permanente forhold mellem katalysatoren og reaktionsprodukterne.

"Hvis vi vil forstå grænserne for nuværende teknologier og hjælpe med at designe nye materialer, bedre materialer, vi skal forstå, hvorfor de virker, "sagde Daniel Olds, en postdoc-forsker ved ORNL's Spallation Neutron Source (SNS).

Bidragydere fra SNS og ORNL's Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) omfattede kemikere, instrument videnskabsmænd, specialister i datareduktion, og prøvemiljøeksperter. Projektet brugte frø Laboratory Directed Research and Development (LDRD) midler, og både personale og brugere har allerede udnyttet denne nye mulighed.

"Det er en af ​​de stykker, der straks blev vedtaget af samfundet, hvilket er rigtig spændende for vores instrumentteam, " sagde NOMAD-instrumentforsker Katharine Page.

Ved at installere gasflowcellen på NOMAD-diffraktometeret med høj intensitet, SNS beamline 1B, holdet skabte et nyt prøvemiljø, hvor brugere kan undersøge katalytiske reaktioner under realistiske driftsforhold. Neutronens evne til at skelne mellem isotoper var nøglen til effektivt at studere gas-faststof-grænseflader mellem en katalysator og en materialeprøve.

"Diffraktionsteknikker kan ofte undersøge ændringer i selve katalysatoren, men interaktionen mellem katalysatoren og den enhed, du katalyserer, er ofte meget vanskelig at undersøge, " sagde Page.

Fordi alle isotoper af et forælderelement har samme antal protoner, mange analysemetoder kan ikke skelne dem fra hinanden. Imidlertid, neutrondiffraktionsteknikker kan skelne mellem isotoper, da hvert enkelt atom har et forskelligt antal neutroner. Brug af neutrondiffraktion og steady-state isotop transient kinetic analyse (SSITKA) teknikken samtidigt, holdet undersøgte interaktionen mellem en adsorberende gas og en rørformet reaktorprøve fyldt med faste partikler af mineralet zeolit-X, en almindelig kommerciel katalysator.

"De teknikker, vi bruger, er unikt følsomme over for de amorfe og forbigående grænseflader i disse katalysatormaterialer, " Forklarede siden.

Veksler mellem forskellige isotoper af nitrogen, holdet identificerede dele af prøven, hvorpå man kunne observere gasflow og adsorption gennem pulverdiffraktion. De etablerede en løbende strøm af nitrogen for at hjælpe prøven med at nå en konstant reaktionstilstand, nødvendig for at tage SSITKA -målinger.

En ventil i flowcellen gør det muligt at skifte mellem forskellige gasser, så deres indvirkning på reaktionen kan observeres, mens en restgasanalysator måler gas, der kommer ud af prøven. Kombineret med resultater fra diffraktions- og SSITKA -metoderne, disse data hjalp teamet med at lokalisere interesseområder i deres prøve, mens de filtrerede ikke-essentiel information fra.

"Vi var i stand til at se dette signal om, at du ville være hårdt presset på at finde en anden vej, og det var ikke let, " sagde Olds.

For at gøre fremtidig forskning lettere, Olds udviklede et nyt softwareprogram kaldet combinatory appraisal of transition states (CATS), som giver forskere mulighed for at uploade hundredvis eller tusindvis af datasæt på én gang. Algoritmen giver derefter grafiske repræsentationer af reaktioner, der finder sted og hjælper med at fange eventuelle potentielle problemer ved beamline.

Holdet konstruerede oprindeligt en kompleks gasstrømscelle, men deres endelige design af en simpel U-rørform hjælper med at omgå de tekniske problemer, der kan plage mere kompliceret udstyr.

"Der kom ikke noget ud af en æske. Det hele var skik og brug og skulle integreres sammen, "Sagde de gamle.

Forskerne beskriver deres arbejde i en undersøgelse med titlen "En højpræcisions gasstrømscelle til at udføre in situ neutronstudier af lokal atomstruktur i katalytiske materialer."

"Gasflowcelle -LDRD -projektet genererede virkelig en helt ny klasse af prøvemiljøfunktioner, " sagde Page.

Forskerholdet omfattede også Peter F. Peterson, Jue Liu, Gerald Rucker, Mariano Ruiz-Rodriguez, Michelle Pawel, og Steven H. Overbury fra ORNL og Arnold Paecklar, Michael Olsen, og James R. Neilson fra Colorado State University.

"Som altid, det var fantastisk at arbejde sammen med de fantastiske ORNL-forskere for at bringe en ny idé til virkelighed gennem design, bygge, test, og bruge. LDRD-programmet var en fantastisk mulighed for os som eksterne brugere og samarbejdspartnere, "Sagde Neilson.