Forskere modellerer molekylær bevægelse inden for snævre kanaler af mesoporøse nanopartikler

Forskere ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory har udviklet en dybere forståelse af det ideelle design til mesoporøse nanopartikler, der bruges i katalytiske reaktioner, såsom kulbrinteomdannelse til biobrændstoffer. Forskningen vil hjælpe med at bestemme den optimale diameter af kanaler i nanopartiklerne for at maksimere katalytisk output.

Porøse nanopartikler er lab-skabte små kugler, der inkorporerer endnu mere parallelle kanaler eller porer. I katalytiske processer, hver kanal i en partikel er foret med katalytiske steder, der omdanner en reaktant til et produkt. Hvad der tiltrækker porøse nanopartikler er, at porernes vægge giver et betydeligt overfladeareal til at understøtte katalytiske steder i en super-lille kugle. Og, som man kunne forvente, jo flere porer, jo mere overfladeareal, jo bedre den katalytiske reaktion.

"Ulempen er, at når de katalytiske steder er inden for snævre porer, som det er tilfældet med mesoporøse nanopartikler, hele reaktionen, herunder bevægelse af reaktanter og produkter skal ske inden for den snævre kanal, "sagde Jim Evans, en forsker ved Ames Laboratory, der ledede forskningen. "Ligesom enhver, der har fundet sig selv forsøger at bevæge sig rundt i en overfyldt købmandsgang, det er ikke altid så let at bevæge sig forbi andre i et meget snævert rum. "

Så, det optimale design til mesoporøse nanopartikler afhænger af diameteren på de enkelte kanaler:smal nok til at passe så mange porer i hver partikel som muligt for at maksimere antallet af katalytiske steder - men bredt nok til, at katalytiske produkter og reaktanter let klemmes sammen og effektivt gennemføre reaktionen. For at bestemme dette "søde sted" for kanaldiameter, forskere skal bedre forstå, hvordan molekyler bevæger sig forbi hinanden inden for kanalen.

"I særdeleshed, det er nyttigt at vide, hvor ofte et par reaktant- og produktmolekyler i nærheden passerer hinanden i forhold til, hvor ofte de adskiller sig fra hinanden. Bestemmelse af denne 'forbigående sandsynlighed' for forskellige porediametre og forskellige relevante molekylære former hjælper med at bestemme, hvor smalle kanaler der kan være, før den katalytiske produktion reduceres, "sagde Evans.

Evans og hans samarbejdspartnere kørte millioner af simuleringsforsøg for par kugleformede molekyler og par mere uregelmæssigt formede molekyler. Disse muliggjorde en præcis bestemmelse af passering af sandsynlighedsadfærd for smalle porer.

"Imidlertid, simulering bliver krævende og resulterer mindre pålideligt for realistiske uregelmæssigt formede molekyler med mange rotationsfrihedsgrader. Også, bare at køre simuleringer giver ikke nødvendigvis en dyb forståelse for, hvilke funktioner der styrer adfærd, "sagde Evans.

Så, han samlede ekspertise på Ames Laboratory i både teoretisk kemi og anvendt matematik for at bestemme og implementere de bedste teoretiske og modelleringsværktøjer for at få mere pålidelige resultater og dybere indsigt i, hvordan overgangssandsynligheden falder til nul, når kanalstørrelsen indsnævres.

"Det var den integrerede kombination af intensive simuleringer og ny analytisk teori, der tilsammen gav et betydeligt fremskridt i vores forståelse af disse vigtige molekylære forbigående processer. Med denne form for indsigt, i princippet, porøse nanopartikelsystemer kan optimeres, "sagde Evans.

Resultaterne blev rapporteret i Fysisk gennemgangsbreve .