Radiofrekvensenergi opvarmer interessen for lavtemperatur nanokatalysatorer

I hele verden, den kemiske industri bruger katalysatorer - stoffer, der letter kemiske reaktioner - i omkring 90 % af alle kemiske fremstillingsprocesser som et middel til at optimere energiforbruget og reducere drivhusgasemissionerne. Katalysesektorens omfang tyder på, at enhver reduktion i energiforbruget til visse kemiske processer kan have betydelige økonomiske og miljømæssige konsekvenser.

Forskere fra Louisiana State University (LSU) bruger neutroner ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL) til at studere virkningerne af at anvende et vekslende elektromagnetisk felt til at producere lavtemperaturkatalytiske reaktioner ved at opvarme jernoxidnanopartikler med kulbrintemolekyler knyttet til nanopartikeloverfladen. Forskerne brugte en radiofrekvensgenerator (RF) til at stimulere nanopartiklerne, overføre den genererede varme til de enkelte kulbrintemolekyler og omstrukturere deres kemiske bindinger til at producere værdiskabende produkter.

"Vi ønsker at reducere energiforbruget betydeligt og øge effektiviteten af ​​den katalytiske reaktion ved at isolere varmegenereringen til molekylets placering, i stedet for at opvarme hele reaktorer til ekstremt høje temperaturer, " sagde James Dorman, professor for Institut for Kemiteknik ved LSU. "Sænkning af de samlede procestemperaturer under katalyse reducerer også dannelsen af ​​koks og uønskede biprodukter, såsom drivhusgasemissioner."

Holdet udsatte sine prøver for et RF-felt i et laboratoriekammer, nedsænket dem bagefter i flydende nitrogen for at fryse alt på plads, og observerede derefter resultaterne ved hjælp af neutronbaseret vibrationsspektroskopi ved VISION-strålelinjen placeret ved ORNL's Spallation Neutron Source. Neutronspredning kombineret med vibrationsspektroskopi er en ideel metode til at studere energioverførsel på tværs af uorganisk-organiske grænseflader.

LSU-forskere er i øjeblikket ved at udvikle avancerede metoder til at syntetisere jernoxidnanopartikler og modificere deres form for at kontrollere en prøves overfladesteder involveret i adsorption og overfladereaktioner. Forskellige partikelmorfologier, inklusive sfærer, terninger, og sekskanter, kan produceres for at optimere deres anvendelse i forskellige katalytiske applikationer.

"En af vores største udfordringer er at kontrollere processen med at syntetisere nanopartikler og optimere deres morfologi på samme tid, " sagde Natalia da Silva Moura, en kandidatstuderende i Dormans gruppe på LSU. "Neutrondataene gør det muligt for os at se, hvordan hver form interagerer med vores målmolekyler og derefter forbedre designet for at maksimere effektiviteten af ​​den lokaliserede opvarmning og reaktioner."

En del af eksperimentet omfatter pulsering af RF-feltet for at begrænse reaktionen og forhindre dannelsen af ​​koks på overfladen. Af særlig interesse er mængden af ​​energioverførsel forårsaget under opvarmning som funktion af magnetfeltets frekvens og styrke. Når først dette forhold er forstået, forskerne planlægger at udvikle nye katalysatorer til at drive reaktioner ned ad alternative veje, der øger selektiviteten og udbyttet uden behov for at anvende høje temperaturer, som vil hjælpe med at opfylde et US Department of Energy (DOE) mål om øget energieffektivitet i amerikansk industri.