Wereldwijd, de chemische industrie gebruikt katalysatoren - stoffen die chemische reacties mogelijk maken - in ongeveer 90% van alle chemische productieprocessen om het energieverbruik te optimaliseren en de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Alleen al de omvang van de katalysesector suggereert dat een vermindering van het energieverbruik voor bepaalde chemische processen aanzienlijke economische en milieueffecten kan hebben.

Wetenschappers van de Louisiana State University (LSU) gebruiken neutronen in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) om de effecten te bestuderen van het gebruik van een wisselend elektromagnetisch veld om katalytische reacties bij lage temperatuur te produceren door ijzeroxide-nanodeeltjes te verhitten met koolwaterstofmoleculen die aan het oppervlak van de nanodeeltjes zijn bevestigd. De onderzoekers gebruikten een radiofrequentie (RF) generator om de nanodeeltjes te stimuleren, het overbrengen van de gegenereerde warmte naar de individuele koolwaterstofmoleculen en het herstructureren van hun chemische bindingen om producten met toegevoegde waarde te produceren.

"We willen het energieverbruik aanzienlijk verminderen en de efficiëntie van de katalytische reactie verhogen door de warmteontwikkeling te isoleren naar de locatie van het molecuul, in plaats van hele reactoren tot extreem hoge temperaturen te verhitten, " zei James Dorman, hoogleraar bij de afdeling Chemical Engineering aan de LSU. "Het verlagen van de algehele procestemperaturen tijdens katalyse vermindert ook de vorming van cokes en ongewenste bijproducten, zoals de uitstoot van broeikasgassen."

Het team stelde zijn monsters bloot aan een RF-veld in een laboratoriumkamer, dompelde ze daarna onder in vloeibare stikstof om alles op zijn plaats te bevriezen, en observeerde vervolgens de resultaten met behulp van op neutronen gebaseerde vibratiespectroscopie bij de VISION-bundellijn die zich bij ORNL's Spallation Neutron Source bevindt. Neutronenverstrooiing gecombineerd met vibrationele spectroscopie is een ideale methode om energieoverdracht over anorganisch-organische interfaces te bestuderen.

LSU-onderzoekers ontwikkelen momenteel geavanceerde methoden voor het synthetiseren van ijzeroxide-nanodeeltjes en het wijzigen van hun vorm om de oppervlaktelocaties van een monster die betrokken zijn bij adsorptie en oppervlaktereacties te beheersen. Verschillende deeltjesmorfologieën, inclusief bollen, kubussen, en zeshoeken, kunnen worden geproduceerd om hun gebruik in verschillende katalytische toepassingen te optimaliseren.

"Een van onze grootste uitdagingen is om het proces van het synthetiseren van nanodeeltjes te beheersen en tegelijkertijd hun morfologie te optimaliseren, " zei Natalia da Silva Moura, een afgestudeerde student in de groep van Dorman bij LSU. "De neutronengegevens stellen ons in staat om te zien hoe elke vorm interageert met onze doelmoleculen en vervolgens het ontwerp te verbeteren om de efficiëntie van de gelokaliseerde verwarming en reacties te maximaliseren."

Een deel van het experiment omvat het pulseren van het RF-veld om de reactie te beperken en de vorming van cokes op het oppervlak te voorkomen. Van bijzonder belang is de hoeveelheid energieoverdracht die wordt veroorzaakt tijdens verwarming als functie van de frequentie en sterkte van het magnetische veld. Zodra deze relatie wordt begrepen, de wetenschappers zijn van plan nieuwe katalysatoren te ontwikkelen om reacties langs alternatieve wegen te sturen die de selectiviteit en opbrengst verhogen zonder de noodzaak om hoge temperaturen toe te passen, die zal helpen om een ​​doelstelling van het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE) voor meer energie-efficiëntie in de Amerikaanse industrie te halen.