Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben een beter begrip ontwikkeld van het ideale ontwerp voor mesoporeuze nanodeeltjes die worden gebruikt in katalytische reacties, zoals de omzetting van koolwaterstoffen in biobrandstoffen. Het onderzoek zal helpen bij het bepalen van de optimale diameter van kanalen in de nanodeeltjes om de katalytische output te maximaliseren.

Poreuze nanodeeltjes zijn in het laboratorium gemaakte kleine bolletjes die nog kleinere parallelle kanalen of poriën bevatten. Bij katalytische processen, elk kanaal in een deeltje is bekleed met katalytische plaatsen die een reactant omzetten in een product. Wat aantrekkelijk is aan poreuze nanodeeltjes, is dat de wanden van de poriën een aanzienlijk oppervlak bieden om katalytische plaatsen in een superkleine bol te ondersteunen. En, zoals men zou verwachten, hoe meer poriën, hoe groter de oppervlakte, hoe beter de katalytische reactie.

"Nadeel is dat wanneer de katalytische plaatsen zich in nauwe poriën bevinden, zoals het geval is met mesoporeuze nanodeeltjes, de hele reactie, inclusief de verplaatsing van reactanten en producten moet gebeuren binnen het smalle kanaal, " zei Jim Evans, een wetenschapper bij Ames Laboratory die het onderzoek leidde. "Net als iedereen die zichzelf probeert te verplaatsen door een overvol gangpad van een supermarkt, het is niet altijd zo gemakkelijk om langs anderen te gaan in een zeer smalle ruimte."

Dus, het optimale ontwerp voor mesoporeuze nanodeeltjes hangt af van de diameter van de afzonderlijke kanalen:smal genoeg om zoveel mogelijk poriën in elk deeltje te passen om het aantal katalytische plaatsen te maximaliseren, maar breed genoeg om katalytische producten en reactanten gemakkelijk door elkaar te laten knijpen en de reactie efficiënt voltooien. Om deze "sweet spot" voor kanaaldiameter te bepalen, wetenschappers moeten beter begrijpen hoe moleculen binnen het kanaal langs elkaar bewegen.

"Vooral, het is handig om te weten hoe vaak een nabijgelegen paar reactant- en productmoleculen elkaar passeren en hoe vaak ze van elkaar scheiden. Het bepalen van deze 'passing kans' voor verschillende poriediameters en verschillende relevante moleculaire vormen helpt te bepalen hoe smal kanalen kunnen zijn voordat de katalytische output wordt verminderd, ' zei Evans.

Evans en zijn medewerkers voerden miljoenen simulatieproeven uit voor paren bolvormige moleculen en paren meer onregelmatig gevormde moleculen. Deze maakten een nauwkeurige bepaling mogelijk van het passeren van waarschijnlijkheidsgedrag voor smalle poriën.

"Echter, simulatie wordt veeleisend en resultaten minder betrouwbaar voor realistische onregelmatig gevormde moleculen met veel rotatievrijheidsgraden. Ook, alleen het uitvoeren van simulaties geeft niet noodzakelijkerwijs een diep begrip van welke functies het gedrag bepalen, ' zei Evans.

Dus, hij bracht expertise samen bij Ames Laboratory in zowel theoretische chemie als toegepaste wiskunde om de beste theoretische en modelleringstools te bepalen en te implementeren om betrouwbaardere resultaten en diepere inzichten te krijgen in hoe de kans op slagen tot nul daalt naarmate de kanaalgrootte kleiner wordt.

"Het was de geïntegreerde combinatie van intensieve simulaties en nieuwe analytische theorie die samen een substantiële vooruitgang hebben opgeleverd in ons begrip van deze belangrijke moleculaire overgangsprocessen. Met dit soort inzicht, in principe, poreuze nanodeeltjessystemen kunnen worden geoptimaliseerd, ' zei Evans.

De resultaten werden gerapporteerd in Fysieke beoordelingsbrieven .