Scott Sayres van de Arizona State University en zijn team hebben onlangs een ultrasnelle laserstudie gepubliceerd op ongeladen ijzeroxideclusters, wat uiteindelijk zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe en goedkopere industriële katalysatoren. Het zou ook kunnen bijdragen aan een beter begrip van het heelal, aangezien ijzeroxiden worden waargenomen in de emissiespectra van sterren.

Sayres is een assistent-professor in ASU's School of Molecular Sciences en een faculteitslid in het Centrum voor toegepaste structurele ontdekking van het Biodesign Institute.

De meeste chemische industrieën gebruiken katalysatoren om de reactiesnelheid en selectiviteit bij het verkrijgen van hun gewenste producten te verhogen. Bijvoorbeeld, katalysatoren in de uitlaten van onze voertuigen gebruiken gewoonlijk platina, palladium en rhodium om verontreinigende stoffen te helpen afbreken.

Alle drie deze metalen zijn aanzienlijk duurder dan goud, wat weer een stuk duurder is dan ijzer. Gemiddeld kost een katalysator $1, 000 maar kan oplopen tot $ 3, 000 per voertuig.

"Overgangsmetaaloxiden worden veel gebruikt als heterogene katalysatoren in de chemische industrie, Sayres zei. "Het fotokatalytische proces verloopt via een reeks complexe reacties, en een fundamenteel begrip van deze katalytische mechanismen ontbreekt nog. Gasfase-onderzoeken op clusters op moleculaire schaal stellen ons in staat om chemische activiteiten en mechanismen in een onverstoorde omgeving te onderzoeken. De atomaire precisie van clusters kan worden gebruikt om voorkeursadsorptieplaatsen te identificeren, geometrieën of oxidatieplaatsen die chemische transformaties mogelijk maken."

De FenOm-clusters die hier worden onderzocht, hebben verschillende samenstellingen:n en m variëren maar zijn kleiner dan 16. Fe is het chemische symbool voor ijzer en O verwijst naar zuurstof.

"Dit onderzoek heeft niet alleen de stabiele fragmenten van bulkijzeroxidematerialen aan het licht gebracht, maar heeft ook aangetoond hoe de verandering in atomaire samenstelling de stabiliteit en reactiviteit van deze fragmenten kan beïnvloeden, " zei Jake Garcia, promovendus en eerste auteur van dit artikel.

"Door de dynamiek van de aangeslagen toestand van atomair precieze materialen zoals ijzeroxiden op te lossen, we komen een stap dichter bij het creëren van meer gerichte moleculaire katalysatoren en het begrijpen van de reacties die kunnen plaatsvinden in interstellaire media."

Garcia vervolgt dat hij een passie heeft gevonden voor het bouwen van experimentele instrumenten in het lab van Sayres, en houdt van het bestuderen van materialen die relevant zijn voor planetaire en aardwetenschappen.

Ryan Shaffer, die een student was die in het lab van Sayres werkte, is de tweede auteur van het huidige werk.

Detectie van ijzeroxideclusters

Experimenten met elektrisch geladen clusters zijn gebruikelijk omdat ze massa kunnen worden geselecteerd met elektrische of magnetische krachten en vervolgens individueel kunnen reageren. Clusterionen zijn duidelijk veel reactiever dan hun analogen en neutralen in de gecondenseerde fase vanwege hun nettolading.

Er is veel minder werk gedaan met hier gerapporteerde neutrale clusters, die nog betere nabootsingen zijn van de echte actieve plaatsen van gecondenseerde fasen en hun oppervlaktechemie. De nettolading heeft een significante invloed op de clusterreactiviteit, en de invloed wordt belangrijker naarmate de clustergrootte afneemt als gevolg van ladingslokalisatie.

"Het tijdsbestek van elektronovergangen na excitatie is van fundamenteel belang voor het begrip van reactiedynamica. Clusters zijn atomair nauwkeurige verzamelingen van atomen, waar het optellen of aftrekken van een enkel atoom de reactiviteit van het cluster drastisch kan veranderen, " zei Sayres. "In dit werk passen we ultrasnelle pomp-sondespectroscopie toe om de snelheid te bestuderen waarmee energie door kleine ijzeroxideclusters beweegt."

De laserpulsen zijn extreem kort:een duizendste van een miljardste van een seconde.

Sayres concludeert dat de levensduur van de aangeslagen toestand sterk wordt beïnvloed door atomair precieze veranderingen in de clustersamenstelling. specifiek, hoe hoger de oxidatietoestand van het metaal, hoe sneller de foto-excitatie-energie wordt omgezet in trillingen. Ze hebben ontdekt dat de levensduur van de aangeslagen toestand sterk afhankelijk is van de grootte en de oxidatietoestand.

Katalysatoren worden ook op grote schaal gebruikt om de schadelijke bijproductverontreinigende stoffen in milieutoepassingen te minimaliseren. Verbeterde reactiesnelheden vertalen zich in hogere productievolumes bij lagere temperaturen met kleinere reactoren en eenvoudiger constructiemateriaal.

Wanneer een zeer selectieve katalysator wordt gebruikt, grote hoeveelheden gewenste producten worden geproduceerd met vrijwel geen ongewenste bijproducten. Benzine, diesel, huisbrandolie en vliegtuigbrandstoffen danken hun prestatiekwaliteit aan katalytische verwerking die wordt gebruikt om ruwe olie op te waarderen.

Intermediaire chemicaliën bij de productie van farmaceutische producten maken gebruik van katalysatoren, net als de voedingsindustrie bij de productie van alledaagse eetbare producten. Katalysatoren spelen een sleutelrol bij de ontwikkeling van nieuwe energiebronnen en een verscheidenheid aan benaderingen bij het verminderen van klimaatverandering en het beheersen van kooldioxide in de atmosfeer.