Ny kernemagnetisk resonansspektroskopi-forskning afslører dynamikken af ​​katalysatorer i 3D-rum

Forskere fra det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory har kortlagt dynamikken i en katalysators aktive sted i tre dimensioner. Denne præstation giver forskerne ny indsigt i, hvordan disse katalysatorer virker, og potentielle veje til at forbedre deres selektivitet og effektivitet.

Katalysatorer bruges til at fremskynde hastigheden af ​​kemiske reaktioner og har tusindvis af anvendelser i olieraffinering, produktion af biobrændstoffer, fødevareforarbejdning, lægemidler og fremstilling. Mennesker har brugt katalysatorer i tusinder af år, langt længere end begrebet er blevet forstået og undersøgt af videnskaben, hvilket er over 200 år. Og trods al den historie, mysterier forbliver om præcis, hvordan katalysatorer fungerer, med angstrom-niveau detaljer mangler i det komplette billede.

En vigtig del af en katalysators succes menes at være dens evne til at ændre sin konformation til at forme sig til de indkommende reaktanter, derved lette deres interaktion og kemiske transformation. Denne dynamiske omarrangering minder lidt om den måde, hvorpå vedhæftede koralpolypper reagerer, når havvand strømmer næringsstoffer over dem.

"Tidligere forskning har vist, at dynamikken i katalysatorer har en vigtig indvirkning på katalytisk ydeevne, "sagde Ames Laboratory -videnskabsmand Frederic Perras." Men indtil for nylig har vi havde ikke evnerne til at observere dem på det detaljeringsniveau. Med de seneste fremskridt inden for nuklear magnetisk resonans (NMR) teknikker, vi er i stand til at få et meget klarere billede af disse bevægelser på atomniveau."

I denne forskning, forskerne sammenlignede den strukturelle dynamik af en scandium-baseret katalysator i sin krystallinske form med silica-overflademonteret form ved hjælp af avancerede teknikker i nukleare magnetisk resonans (SSNMR) og dynamisk nuklear polarisering (DNP). Disse sammenligninger, kombineret med beregningsmodellering, givet en klarere, mere detaljeret forståelse af, hvordan understøttede komplekser bevæger sig i tredimensionelt rum. Et nøgleresultat af undersøgelsen var, at simuleringer af molekylær dynamik forudsagde flere bevægelser med stor amplitude, end der blev observeret eksperimentelt, antydet, at overfladetopologien i sig selv kan begrænse disse bevægelser. Yderligere undersøgelser vil blive udført for at afgøre, om det er muligt at tune dynamikken af ​​et katalytisk sted ved at ændre topologien af ​​støtten.

Forskningen diskuteres yderligere i papiret "Observation af den tredimensionelle dynamik i understøttede metalkomplekser, "udgivet i Uorganisk kemi grænser .