Forskere opdager, at hydrering er nøglen til at forbedre katalysatorydelsen til industriel brug

Forskere har brugt neutronspredning til at identificere hemmeligheden bag en metal-organisk ramme (MOF) evne til effektivt at omdanne kemikalier, gennem en proces kaldet katalyse, til nye stoffer. Ved at undersøge et materiale kendt som MOF-808-SO4, teamet opdagede molekylær adfærd, der får katalysatoren til at blive mindre sur, som kan bremse den katalytiske proces, der er afgørende for fremstilling af produkter såsom plast, dufte, kosmetik, flammehæmmere og opløsningsmidler.

Deres fund, detaljeret i naturkemi, forventes at være med til at anspore udviklingen af ​​nye MOF -katalysatorer, som industrien kan bruge til at forbedre processen med at omdanne stoffer som råolie til C8 -kemikalier - kemikalier med otte carbonatomer.

For at studere MOF's molekylære adfærd, forskere fra University of California – Berkeley, Stanford, Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory og DOE's Oak Ridge National Laboratory udførte eksperimenter med POWGEN -instrumentet ved Spallation Neutron Source, der ligger på ORNL. De opdagede, hvad der gør MOF-808-SO4 til en effektiv katalysator, og hvorfor, under visse betingelser, det mister sin effektivitet over tid.

"Vi udviklede en ny MOF, der er en meget god katalysator til produktion af C8 -kemikalier, men vi havde ikke identificeret det aktive sted i materialet, der var ansvarlig for dets fremragende katalytiske ydeevne, "sagde Omar Yaghi fra UC Berkeley.

MOF'er som MOF-808-SO4 har et stort potentiale for fremtidige katalyseapplikationer på grund af deres enormt høje overfladeareal og alsidighed i kemiske motiver. De er endnu ikke udbredt i kemisk produktion, fordi de i øjeblikket er dyrere at producere end de mere udbredte zeolitter, som er materialer med porøse strukturer baseret på silica (en af ​​hovedingredienserne i sand).

"Vi opdagede, at et Brønsted syre -sted, i en meget specifik konfiguration, er primært ansvarlig for MOF's katalytiske aktivitet, og at MOF bliver mindre effektiv over tid, når den katalytiske proces forårsager udtømning af vand på dette sted, "Sagde Yaghi.

Brønsted -syrer er kemiske forbindelser, der "ønsker" at donere positivt ladede hydrogenioner til andre basemolekylære strukturer, der ønsker at gribe protoner. Dette sker, fordi de har ekstra elektroner, giver dem en negativ ladning, der stærkt tiltrækker protoner.

Den stærkeste Brønsted-syre i MOF-808-SO4 består af et specifikt arrangement af adsorberet vand og sulfat på klynger af zirkoniumoxid. Når et vandmolekyle adsorberer til et zirconiumatom, den deltager i en hydrogenbinding. Dette motiv, på tur, resulterer i tilstedeværelse af en stærkt sur proton. Ved dehydrering, materialet mister sin surhed.

Det er afgørende at forstå, hvordan og hvor vand binder sig til MOF, for når MOF er godt hydreret, det udviser fremragende katalytisk ydeevne.

Neutroner er unikt følsomme over for lettere elementer som brint og ilt, hvilket gør dem perfekt egnede til at lokalisere vandet og de sure steder. Forskere udnyttede disse egenskaber ved hjælp af neutronpulverdiffraktion på POWGEN.

"Vi forsøgte at afslutte forskningsprojektet med røntgendiffraktion, men vi kunne ikke endegyldigt lokalisere brint og vand i strukturen - dels fordi vi ikke kunne dyrke en enkelt krystal af MOF, der var stor nok, "sagde Chris Trickett fra UC Berkeley." De unikke egenskaber ved neutroner og ORNL's modelekspertise tiltrak vores opmærksomhed, fordi det gjorde det muligt at studere MOF i pulverform og i et inert miljø for at få de manglende strukturelle data, som vi havde brug for. "

Neutronpulverdiffraktion er ideel til undersøgelse af materialer, som forskere ikke kan syntetisere som en enkelt krystal, der er stor nok og forbliver stabil længe nok til at blive undersøgt. Når forsøget er afsluttet, neutronpulverdiffraktionsdata blev behandlet og derefter indgået i en model skabt af forskergruppen, der gjorde det muligt for dem at fortolke oplysningerne.

"Jeg arbejdede meget tæt med Chris fra prøveforberedelse til pulverdiffraktionsmålinger til dataanalyse af neutronundersøgelsen, "sagde ORNL's Ashfia Huq, en instrumentforsker for POWGEN. "Takket være moderne teknologi, vi kunne Skype med hinanden for at gennemgå detaljerne i modellering af de data, der var afgørende for at knække strukturen i denne forbindelse. "

Forskere fra hele verden forsøger at forstå hemmelighederne ved, hvordan disse materialer fungerer i atomskala, så de kan designe mere effektive og billigere MOF'er. Efter næsten to årtiers intensiv forskning, MOF'er finder endelig anvendelse på nichemarkeder som ny gaslagring og frigivelse, men målet er at låse deres mysterier op og finde udbredt kommerciel brug.

Forskergruppen håber at fortsætte med at studere denne MOF og teste deres teori om, at den let kan genoplades ved at indføre vanddamp under den katalytiske proces.

"Hvis vi kan demonstrere en let og billig måde at genoplade dette materiale på, det vil gøre det til et meget attraktivt alternativ til de billige, men ineffektive katalysatorer, som den kemiske industri bruger i dag, "sagde Trickett." Vores arbejde kunne identificere nye måder at producere denne MOF billigere eller yderligere at øge dens effektivitet. "