Wetenschappers hebben neutronenverstrooiing gebruikt om het geheim te identificeren van het vermogen van een metaal-organisch raamwerk (MOF) om chemicaliën efficiënt om te zetten, via een proces dat katalyse wordt genoemd, in nieuwe stoffen. Door een materiaal te onderzoeken dat bekend staat als MOF-808-SO4, het team ontdekte moleculair gedrag waardoor de katalysator minder zuur wordt, die het katalytische proces dat van vitaal belang is bij het maken van producten zoals kunststoffen, geuren, cosmetica, vlamvertragers en oplosmiddelen.

Hun bevindingen, gedetailleerd in Natuurchemie, zullen naar verwachting de ontwikkeling van nieuwe MOF-katalysatoren stimuleren die de industrie kan gebruiken om het proces van het omzetten van stoffen zoals aardolie in C8-chemicaliën te verbeteren - chemicaliën met acht koolstofatomen.

Om het moleculaire gedrag van de MOF te bestuderen, wetenschappers van de Universiteit van Californië-Berkeley, Stanford, het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy en het Oak Ridge National Laboratory van DOE hebben experimenten uitgevoerd met het POWGEN-instrument bij de Spallation Neutron Source in ORNL. Ze ontdekten wat MOF-808-SO4 tot een efficiënte katalysator maakt en waarom, onder bepaalde omstandigheden, het verliest zijn effectiviteit na verloop van tijd.

"We hebben een nieuwe MOF ontwikkeld die een zeer goede katalysator is voor de productie van C8-chemicaliën, maar we hadden de actieve plaats in het materiaal niet geïdentificeerd die verantwoordelijk was voor zijn uitstekende katalytische prestaties, " zei Omar Yaghi van UC Berkeley.

MOF's zoals MOF-808-SO4 hebben een groot potentieel voor toekomstige katalysetoepassingen vanwege hun enorm grote oppervlakte en veelzijdigheid in chemische motieven. Ze worden nog niet veel gebruikt in de chemische productie omdat ze momenteel duurder zijn om te produceren dan de meer algemeen gebruikte zeolieten, dat zijn materialen met poreuze structuren op basis van silica (een van de hoofdbestanddelen in zand).

"We ontdekten dat ene Brønsted acid-site, in een zeer specifieke configuratie, is primair verantwoordelijk voor de katalytische activiteit van de MOF, en dat de MOF in de loop van de tijd minder efficiënt wordt wanneer het katalytische proces de uitputting van water op die locatie veroorzaakt, ' zei Yagi.

Brønsted-zuren zijn chemische verbindingen die positief geladen waterstofionen "willen" doneren aan andere basismoleculaire structuren die de protonen willen grijpen. Dit gebeurt omdat ze extra elektronen hebben, waardoor ze een negatieve lading krijgen die protonen sterk aantrekt.

Het sterkste Brønsted-zuur in MOF-808-SO4 bestaat uit een specifieke opstelling van geadsorbeerd water en sulfaat op clusters van zirkoniumoxide. Wanneer een watermolecuul adsorbeert aan één zirkoniumatoom, het neemt deel aan een waterstofbrug. Dit motief, beurtelings, resulteert in de aanwezigheid van een sterk zuur proton. Bij uitdroging, het materiaal verliest zijn zuurgraad.

Begrijpen hoe en waar water bindt aan de MOF is cruciaal, want wanneer de MOF goed gehydrateerd is, het vertoont uitstekende katalytische prestaties.

Neutronen zijn uniek gevoelig voor lichtere elementen zoals waterstof en zuurstof, waardoor ze perfect geschikt zijn om het water en de zuurplaatsen te lokaliseren. Wetenschappers maakten gebruik van deze eigenschappen met behulp van neutronenpoederdiffractie op POWGEN.

"We hebben geprobeerd het onderzoeksproject te voltooien met röntgendiffractie, maar we konden de waterstof en het water in de structuur niet met zekerheid lokaliseren - deels omdat we geen enkel kristal van de MOF konden laten groeien dat groot genoeg was, " zei Chris Trickett van UC Berkeley. "De unieke kenmerken van neutronen en ORNL's modelleringsexpertise trokken onze aandacht, omdat het het mogelijk maakte om de MOF in poedervorm en in een inerte omgeving te bestuderen om de ontbrekende structurele gegevens te krijgen die we nodig hadden."

Neutronenpoederdiffractie is bij uitstek geschikt voor het bestuderen van materialen die wetenschappers niet kunnen synthetiseren als een enkel kristal dat groot genoeg is en lang genoeg stabiel blijft om te worden bestudeerd. Zodra het experiment is voltooid, de neutronenpoederdiffractiegegevens werden verwerkt en vervolgens ingevoerd in een model dat door het onderzoeksteam was gemaakt en waarmee ze de informatie konden interpreteren.

"Ik heb heel nauw met Chris samengewerkt, van monstervoorbereiding voor poederdiffractiemetingen tot gegevensanalyse van het neutronenonderzoek, " zei Ashfia Huq van ORNL, een instrumentwetenschapper voor POWGEN. “Dankzij de moderne technologie, we konden met elkaar Skypen om de details van het modelleren van de gegevens die cruciaal waren voor het kraken van de structuur van deze verbinding door te nemen."

Wetenschappers van over de hele wereld proberen de geheimen te begrijpen van hoe deze materialen op atomaire schaal werken, zodat ze efficiëntere en goedkopere MOF's kunnen ontwerpen. Na bijna twee decennia van intensief onderzoek, MOF's worden eindelijk gebruikt in nichemarkten zoals nieuwe gasopslag en -afgifte, maar het doel is om hun mysteries te ontrafelen en wijdverbreid commercieel gebruik te vinden.

Het onderzoeksteam hoopt deze MOF te blijven bestuderen en hun theorie te testen dat deze gemakkelijk kan worden opgeladen door waterdamp in te voeren tijdens het katalytische proces.

"Als we een gemakkelijke en goedkope manier kunnen aantonen om dit materiaal op te laden, het zal het een zeer aantrekkelijk alternatief maken voor de goedkope maar inefficiënte katalysatoren die de chemische industrie tegenwoordig gebruikt, "zei Trickett. "Ons werk zou nieuwe manieren kunnen vinden om deze MOF goedkoper te produceren of om de effectiviteit ervan verder te vergroten."