Ny teknik kaster lys over mysterierne bag komplekse kemiske reaktionsnetværk

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory og deres kolleger har opdaget en måde at opklare mysterierne bag komplekse reaktionsnetværk ved at anvende et måleværktøj på en unik måde.

Katalyse er en grundlæggende kemisk proces, der bruges i mange fremstillingsindustrier - den fremskynder nedbrydningen eller kombinationen af ​​forbindelser til nye, til fremstilling af så forskellige ting som fødevarer, lægemidler, plastik, og brændstoffer. Gør katalyse mere præcis, effektiv og multifunktionel har potentialet til at reducere antallet af trin i fremstillingsprocesser, reducere affald eller skadelige biprodukter, og reducere energiforbruget.

At gøre dette, Ames Laboratory associeret videnskabsmand Long Qi brugte et nyudviklet værktøj, kaldet operando magisk vinkel spinning kernemagnetisk resonansspektroskopi (operando MAS-NMR), og anvendte det til katalytiske reaktioner i realtid under højt tryk. På denne måde Qi var i stand til at kortlægge den komplekse aktivitet, der udfolder sig, når en katalysator transformerer og omarrangerer molekyler.

"Det er ikke kun et eller to eller tre molekyler. I dette eksperiment, vi identificerede seks mellemliggende arter, to hovedprodukter, og 10 transformationstrin, og det kompleksitetsniveau er et træk ved disse netværk," sagde Qi. "De oplysninger, vi har fået i dette arbejde, er meget nyttige for at opnå højere produktivitet ud af disse komplekse reaktionsnetværk."

"Problemet med traditionelle undersøgelser af katalyse er, at vi ser, hvad vi putter ind i begyndelsen, og vi ser, hvad vi får ud til sidst, men det, der sker i midten, er det manglende led, " sagde Wenyu Huang, en videnskabsmand i Ames Laboratory's Chemical and Biological Science Division, der udfører forskning inden for heterogen katalyse ved hjælp af intermetalliske forbindelser (IMC'er), og metalorganiske rammer (MOF'er). "I dette arbejde, vi demonstrerer, at forståelsen af ​​disse mellemtrin er nøglen til at kunne tune disse processer for at opnå de ønskede slutprodukter."

Holdet kortlagde et katalytisk system, der er af interesse, fordi dets produkter kan bruges som nøglekomponenter i lægemidler eller i brintlagringsteknologier. Med den viden, de opnåede ved operando MAS-NMR-kortlægningen, de var i stand til at vælge produktion af enten tetrahydroquinolin eller quinolin ud af reaktionen ved at tilføje en yderligere katalysator til at virke på et kinetisk kontrolleret kritisk trin, med vand som eneste biprodukt.

"Ideen om, at vi kan skifte produkter til on-demand syntese er et nyt koncept, " sagde Qi. "Betydningen for forskning er, at vi kan undgå langvarige forsøg og fejl eksperimenter. For industrien, det har potentialet til at strømline produktionen og reducere omkostningerne."

Forskningen diskuteres yderligere i papiret, "Dechifrering af et reaktionsnetværk til omskiftelig produktion af tetrahydroquinolin eller quinolin med MOF-understøttede Pd Tandem-katalysatorer, " offentliggjort i ACS katalyse .