Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en hun collega's hebben een manier ontdekt om de mysteries van complexe reactienetwerken te ontrafelen door op een unieke manier een meetinstrument te gebruiken.

Katalyse is een fundamenteel chemisch proces dat in veel productie-industrieën wordt gebruikt - het versnelt de afbraak of combinatie van verbindingen tot nieuwe, voor de productie van dingen zo gevarieerd als voedsel, medicijnen, kunststoffen, en brandstoffen. Katalyse nauwkeuriger maken, efficiënt en multifunctioneel heeft het potentieel om het aantal stappen in productieprocessen te verminderen, afval of schadelijke bijproducten verminderen, en het energieverbruik te verminderen.

Om dit te doen, Ames Laboratory associate scientist Long Qi gebruikte een nieuw ontwikkelde tool, genaamd operando magische hoek draaiende nucleaire magnetische resonantie spectroscopie (operando MAS-NMR), en paste het toe op katalytische reacties in realtime onder hoge druk. Op deze manier, Qi was in staat om de complexe activiteit in kaart te brengen die zich ontvouwt terwijl een katalysator moleculen transformeert en herschikt.

"Het zijn niet slechts een of twee of drie moleculen. In dit experiment, we hebben zes intermediaire soorten geïdentificeerd, twee hoofdproducten, en 10 transformatiestappen, en dat niveau van complexiteit is een kenmerk van deze netwerken", zei Qi. "De informatie die we in dit werk hebben verkregen, is erg nuttig om een ​​hogere productiviteit te bereiken uit deze complexe reactienetwerken."

"Het probleem met traditioneel katalyseonderzoek is dat we zien wat we er aan het begin in stoppen en aan het eind zien wat we eruit halen. maar wat er in het midden gebeurt, is de ontbrekende schakel, " zei Wenyu Huang, een wetenschapper in de Chemische en Biologische Wetenschapsafdeling van Ames Laboratory, die onderzoek doet op het gebied van heterogene katalyse met behulp van intermetallische verbindingen (IMC's), en metalen organische raamwerken (MOF's). "In dit werk, we laten zien dat het begrijpen van deze tussenstappen de sleutel is om deze processen te kunnen afstemmen om tot de gewenste eindproducten te komen."

Het team bracht een katalytisch systeem in kaart dat van belang is omdat de producten ervan kunnen worden gebruikt als belangrijke componenten van geneesmiddelen of in waterstofopslagtechnologieën. Met de kennis die ze hebben opgedaan door de operando MAS-NMR mapping, ze waren in staat om de productie van ofwel tetrahydrochinoline of chinoline uit de reactie te selecteren door een extra katalysator toe te voegen om te werken bij een kinetisch gecontroleerde kritische stap, met water als het enige bijproduct.

"Het idee dat we producten kunnen omschakelen voor on-demand synthese is een nieuw concept, " zei Qi. "De implicatie voor onderzoek is dat we langdurige experimenten met vallen en opstaan ​​kunnen vermijden. Voor de industrie, het heeft het potentieel om de productie te stroomlijnen en de kosten te verlagen."

Het onderzoek wordt verder besproken in de paper, "Ontcijferen van een reactienetwerk voor de schakelbare productie van tetrahydroquinoline of chinoline met MOF-ondersteunde Pd tandemkatalysatoren, " gepubliceerd in ACS Katalyse .