Сверхбыстрые лазерные эксперименты открывают путь к лучшим промышленным катализаторам
Скотт Сэйрес из Университета штата Аризона и его команда недавно опубликовали сверхбыстрое лазерное исследование незаряженных кластеров оксида железа, которое в конечном итоге может привести к разработке новых и менее дорогих промышленных катализаторов. Это также может способствовать лучшему пониманию Вселенной, поскольку оксиды железа наблюдаются в спектрах излучения звезд.
Сейрес - доцент Школы молекулярных наук АГУ и преподаватель Центра прикладных структурных открытий Института биодизайна.
В большинстве химических производств катализаторы используются для повышения скорости реакции и селективности получения желаемых продуктов. Например, каталитические нейтрализаторы выхлопных газов наших автомобилей обычно используют платину, палладий и родий для разложения загрязняющих веществ.
Все три этих металла значительно дороже золота, которое, в свою очередь, намного дороже железа. В среднем каталитический нейтрализатор стоит 1000 долларов, но может достигать 3000 долларов за автомобиль.
«Оксиды переходных металлов широко используются в качестве гетерогенных катализаторов в химической промышленности», - сказал Сайрес. «Фотокаталитический процесс протекает через серию сложных реакций, и фундаментальное понимание этих каталитических механизмов все еще отсутствует. Газофазные исследования кластеров молекулярного масштаба позволяют нам исследовать химическую активность и механизмы в невозмущенной среде. Атомарная точность кластеров могут быть использованы для определения предпочтительных участков адсорбции, геометрии или участков окисления, которые позволяют химические превращения ».
Исследуемые кластеры FenOm имеют разный состав: n и m меняются, но меньше 16. Fe - химический символ железа, а O - кислород.
«Это исследование не только выявило стабильные фрагменты массивных материалов из оксида железа, но и показало, как изменение атомного состава может повлиять на стабильность и реакционную способность этих фрагментов», - сказал Джейк Гарсиа, аспирант и первый автор этой статьи.
«Разрешая динамику возбужденного состояния материалов атомарной точности, таких как оксиды железа, мы приближаемся на один шаг к созданию более направленных молекулярных катализаторов и пониманию реакций, которые могут происходить в межзвездных средах».
Гарсия продолжает, что он увлекся созданием экспериментальных инструментов в лаборатории Сайреса и любит изучать материалы, имеющие отношение к планетам и наукам о Земле.
Райан Шаффер, который был студентом и работал в лаборатории Сэйреса, является вторым автором данной работы.
Обнаружение кластеров оксида железа
Эксперименты с электрически заряженными кластерами были обычным явлением, потому что они могут быть выбраны по массе с помощью электрических или магнитных сил и впоследствии реагировать индивидуально. Кластерные ионы явно намного более реактивны, чем их аналоги в конденсированной фазе и нейтралы из-за их чистого заряда.
Гораздо меньше работы было выполнено с нейтральными кластерами, о которых здесь сообщают, которые даже лучше имитируют истинные активные центры конденсированных фаз и химический состав их поверхности. Чистый заряд существенно влияет на реактивность кластера, и это влияние становится более важным по мере уменьшения размера кластера из-за локализации заряда.
«Временные рамки электронных переходов после возбуждения представляют фундаментальный интерес для понимания динамики реакции. Кластеры представляют собой атомно-точные совокупности атомов, где добавление или вычитание одного атома может резко изменить реакционную способность кластера», - сказал Сайрес. «В этой работе мы применяем сверхбыструю спектроскопию накачки и зонда для изучения скорости, с которой энергия проходит через небольшие кластеры оксида железа».
Лазерные импульсы чрезвычайно короткие: одна тысячная миллиардной секунды.
Сайрес приходит к выводу, что на время жизни возбужденного состояния сильно влияют изменения атомно-точного состава кластера. В частности, чем выше степень окисления металла, тем быстрее энергия фотовозбуждения преобразуется в колебания. Они обнаружили, что время жизни в возбужденном состоянии сильно зависит от размера и степени окисления.
Катализаторы также широко используются для сведения к минимуму вредных побочных продуктов, загрязняющих окружающую среду. Повышенная скорость реакции приводит к увеличению объемов производства при более низких температурах с меньшими реакторами и более простыми материалами конструкции.
Когда используется высокоселективный катализатор, производятся большие объемы желаемых продуктов практически без нежелательных побочных продуктов. Бензин, дизельное топливо, топочный мазут и авиационное топливо своими характеристиками обязаны каталитической обработке, используемой для улучшения качества сырой нефти.
Промежуточные химические вещества при производстве фармацевтических продуктов используют катализаторы, как и пищевая промышленность при производстве повседневных пищевых продуктов. Катализаторы играют ключевую роль в разработке новых источников энергии и различных подходов к смягчению последствий изменения климата и контролю за выбросом двуокиси углерода в атмосфере.
Вопросы, отзывы, комментарии (0)
Нет комментариев