Onderzoekers van de Universiteit van Notre Dame gebruiken neutronen in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) om te bestuderen hoe gespecialiseerde moleculen de aardolieproductieprocessen kunnen verbeteren, evenals hun potentiële toepassingen in geavanceerde fotovoltaïsche technologieën.

"Het maakt niet uit waar je aardolie voor wilt gebruiken - of het nu brandstof, grondstof, of het maken van synthetische organische chemicaliën - je wilt het zo efficiënt gebruiken, als kosteneffectief, en op een zo milieuvriendelijk mogelijke manier, " zei Peter Kilpatrick, een professor aan de Notre Dame.

specifiek, Kilpatrick en Ph.D. kandidaat McKay Rytting wil weten welke effecten gefunctionaliseerde moleculen, petroporfyrines genaamd, hebben op asfaltenen - donkergekleurde, moleculen met een hoog molecuulgewicht die overvloedig aanwezig zijn in zware ruwe olie.

"Asfaltenen veroorzaken allerlei problemen in petroleumgerelateerde processen. Ze kleven aan leidingwanden als je ze pompt; ze verstoppen de leidingen die worden gebruikt bij transport; en ze produceren emulsies, " zei Kilpatrick. "Vrijwel alle uitdagingen die verband houden met de verwerking van aardolie komen van asfaltenen."

Vergelijkbaar met hoe ijzer bindt met hemoglobine - dat zuurstof uit onze longen door de bloedbaan transporteert - zijn petroporfyrines verantwoordelijk voor het binden van zware metalen in organische systemen om noodzakelijke reacties te katalyseren. Net als asfaltenen, petroporfyrinen zijn ook relatief overvloedig in zware ruwe olie.

"Porfyrines zijn een beetje de sleutel om uit te zoeken hoe aardolie uit het leven kwam - van organische levensvormen die stierven, " zei Rytting. "Toen wetenschappers porfyrinemoleculen in aardolie begonnen te vinden, ze begonnen ze te verbinden met hemoglobine en chlorofyl, en zo hebben we de verbinding gemaakt."

Porfyrinemoleculen zijn felgekleurd - sommige paars, groente, blauw, enzovoort - en elke variatie heeft verschillende functies. Door hun ringvormige structuur kunnen verschillende atomen "aan de randen hangen" van de porfyrinering die alle porfyrines gemeen hebben; en die groepen bepalen de eigenschappen van het molecuul, zoals de algehele kleur, hoe ze licht absorberen, en hoe ze interageren met asfaltenen.

Een aantal jaar geleden, Kilpatrick en zijn team ontwikkelden een methode om petroporfyrines uit aardolie te zuiveren en te extraheren. Ze geloven dat de meer gefunctionaliseerde petroporfyrines kunnen worden gebruikt om veel van het problematische gedrag dat voortkomt uit asfalteenaggregatie te verminderen.

Omdat neutronen zeer doordringend en gevoelig zijn voor lichte elementen zoals waterstof, ze kunnen worden gebruikt om individuele atomen en moleculaire functionele groepen binnen dichte structuren te volgen om te onthullen hoe ze werken.

De Extended Q-Range Small-Angle Scattering Diffractometer, of het EQ-SANS-instrument, bij ORNL's Spallation Neutron Source - een DOE Office of Science User Facility - stelt het team in staat een groot aantal monsters te bestuderen om beter te begrijpen hoe petroporfyrines en asfaltenen op moleculair niveau interageren.

"De reden dat neutronenverstrooiing perfect is voor dit onderzoek, is dat we de hoeveelheid waterstof in ons oplosmiddel kunnen variëren door gedeutereerde of gehydrogeneerde oplosmiddelen te gebruiken. die ons vertellen hoeveel oplosmiddel door het aggregaat is geabsorbeerd. We denken dat dit licht zal werpen op efficiëntere verwerkingsmethoden en misschien zelfs op nieuwe toepassingen in fotovoltaïsche, ' zei Rytting.

"We denken dat deze porfyrines veel andere toepassingen hebben waar nog niemand aan heeft gedacht, omdat ze deze moleculen nog nooit uit aardolie hebben gezuiverd zoals wij dat hebben kunnen doen. " zei Kilpatrick. "Neutronen zijn ideaal om ons te helpen hun potentieel te realiseren."