Ultrahurtige lasereksperimenter baner vej for bedre industrielle katalysatorer

Arizona State Universitys Scott Sayres og hans team har for nylig offentliggjort en ultrahurtig laserundersøgelse om uladede jernoxidklynger, hvilket i sidste ende kan føre til udvikling af nye og billigere industrielle katalysatorer. Det kan også bidrage til en bedre forståelse af universet, da jernoxider observeres i stjerners emissionsspektre.

Sayres er adjunkt i ASU's School of Molecular Sciences og et fakultetsmedlem i Biodesign Institutes Center for Applied Structural Discovery.

De fleste kemiske industrier anvender katalysatorer til at øge reaktionshastigheden og selektiviteten ved at opnå deres ønskede produkter. For eksempel, katalysatorer i vores bilers udstødninger bruger almindeligvis platin, palladium og rhodium for at hjælpe med at nedbryde forurenende stoffer.

Alle disse tre metaller er betydeligt dyrere end guld, hvilket igen er meget dyrere end jern. I gennemsnit koster en katalysator $ 1, 000, men kan være så højt som $ 3, 000 pr. Køretøj.

"Overgangsmetaloxider bruges i vid udstrækning som heterogene katalysatorer i den kemiske industri, "Sagde Sayres." Den fotokatalytiske proces forløber gennem en række komplekse reaktioner, og der mangler stadig en grundlæggende forståelse af disse katalytiske mekanismer. Gasfasestudier på molekylære skalaer giver os mulighed for at undersøge kemiske aktiviteter og mekanismer i et uforstyrret miljø. Klyngernes atompræcision kan bruges til at identificere foretrukne adsorptionssteder, geometrier eller oxidationssteder, der muliggør kemiske transformationer. "

FenOm -klyngerne, der undersøges her, har forskellige sammensætninger:n og m varierer, men er mindre end 16. Fe er det kemiske symbol for jern, og O refererer til ilt.

"Denne forskning har ikke kun afsløret de stabile fragmenter af jernoxidmaterialer i bulk, men har vist, hvordan ændringen i atomkomposition kan påvirke stabiliteten og reaktiviteten af ​​disse fragmenter, "sagde Jake Garcia, kandidatstuderende og første forfatter af dette papir.

"Ved at løse dynamikken i spændingsstatus for atompræcise materialer, såsom jernoxider, vi går et skridt tættere på at skabe mere rettet molekylære katalysatorer og forstå de reaktioner, der kan finde sted i interstellare medier. "

Garcia fortsætter, at han har fundet en passion for at bygge eksperimentelle instrumenter i Sayres 'laboratorium, og elsker at studere materialer, der er relevante for planetarisk og jordvidenskab.

Ryan Shaffer, der var en bachelorstuderende, der arbejdede i Sayres 'laboratorium, er anden forfatter til det aktuelle værk.

Registrering af jernoxidklynger

Eksperimenter med elektrisk ladede klynger har været almindelige, fordi de kan vælges masse med elektriske eller magnetiske kræfter og efterfølgende reageres individuelt. Klyngeioner er klart meget mere reaktive end deres kondenserede fase-analoger og neutrale på grund af deres nettoladning.

Der er blevet udført langt mindre arbejde med neutrale klynger rapporteret her, som er endnu bedre efterligner de sande aktive steder i kondenserede faser og deres overfladekemi. Nettoladningen påvirker klyngereaktiviteten betydeligt, og indflydelsen bliver vigtigere, når klyngestørrelsen falder på grund af ladningslokalisering.

"Tidsrammen for elektronovergange efter excitation er af grundlæggende interesse for forståelsen af ​​reaktionsdynamik. Klynger er atompræcise samlinger af atomer, hvor tilsætning eller subtraktion af et enkelt atom drastisk kan ændre reaktiviteten af ​​klyngen, "Sayres sagde." I dette arbejde anvender vi ultrahurtig pumpesonde-spektroskopi for at studere den hastighed, hvormed energi bevæger sig gennem små jernoxidklynger. "

Laserpulserne er ekstremt korte:en tusindedel af en milliarddel af et sekund.

Sayres konkluderer, at levetiden for den ophidsede tilstand er stærkt påvirket af atompræcise ændringer i klyngesammensætningen. Specifikt, jo højere oxidationstilstande af metallet, jo hurtigere fotoexcitationsenergien omdannes til vibrationer. De har fundet ud af, at den ophidsede tilstands levetid i høj grad er afhængig af størrelse og oxidationstilstand.

Katalysatorer bruges også i vid udstrækning til at minimere de skadelige biproduktforurenende stoffer i miljøapplikationer. Forbedrede reaktionshastigheder oversætter til højere produktionsmængder ved lavere temperaturer med mindre reaktorer og enklere konstruktionsmaterialer.

Når der anvendes en meget selektiv katalysator, store mængder af ønskede produkter fremstilles uden stort set uønskede biprodukter. Benzin, diesel, hjemmevarmeolie og luftfartsbrændstoffer skylder deres ydelseskvalitet til katalytisk behandling, der bruges til at opgradere råolie.

Mellemliggende kemikalier i produktionen af ​​farmaceutiske produkter udnytter katalysatorer, ligesom fødevareindustrien i produktionen af ​​daglig spiselige produkter. Katalysatorer spiller en nøglerolle i udviklingen af ​​nye energikilder og en række tilgange til at afbøde klimaforandringer og kontrollere atmosfærisk kuldioxid.