In tutto il mondo, l'industria chimica utilizza catalizzatori, sostanze che facilitano le reazioni chimiche, in circa il 90% di tutti i processi di produzione chimica come mezzo per ottimizzare l'uso dell'energia e ridurre le emissioni di gas serra. La vastità del settore della catalisi suggerisce che eventuali riduzioni del consumo di energia per determinati processi chimici potrebbero avere impatti economici e ambientali sostanziali.

Scienziati della Louisiana State University (LSU) stanno utilizzando neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) per studiare gli effetti dell'impiego di un campo elettromagnetico alternato per produrre reazioni catalitiche a bassa temperatura riscaldando nanoparticelle di ossido di ferro con molecole di idrocarburi attaccate alla superficie delle nanoparticelle. I ricercatori hanno utilizzato un generatore di radiofrequenza (RF) per stimolare le nanoparticelle, trasferire il calore generato alle singole molecole di idrocarburi e ristrutturare i loro legami chimici per produrre prodotti a valore aggiunto.

"Vogliamo ridurre significativamente il consumo di energia e aumentare l'efficienza della reazione catalitica isolando la generazione di calore nella posizione della molecola, invece di riscaldare interi reattori a temperature estremamente elevate, " ha detto James Dorman, professore per il Dipartimento di Ingegneria Chimica alla LSU. "L'abbassamento delle temperature complessive del processo durante la catalisi riduce anche la formazione di coke e sottoprodotti indesiderati, come le emissioni di gas serra”.

Il team ha esposto i suoi campioni a un campo RF in una camera di laboratorio, immersi successivamente in azoto liquido per congelare il tutto al suo posto, e poi ha osservato i risultati utilizzando la spettroscopia vibrazionale basata su neutroni presso la linea di luce VISION situata presso la Spallation Neutron Source dell'ORNL. Lo scattering di neutroni combinato con la spettroscopia vibrazionale è un metodo ideale per studiare il trasferimento di energia attraverso le interfacce inorganico-organico.

I ricercatori della LSU stanno attualmente sviluppando metodi avanzati per sintetizzare nanoparticelle di ossido di ferro e modificarne la forma per controllare i siti superficiali di un campione coinvolti nell'adsorbimento e nelle reazioni superficiali. Varie morfologie di particelle, comprese le sfere, cubi, ed esagoni, possono essere prodotti per ottimizzare il loro utilizzo in diverse applicazioni catalitiche.

"Una delle nostre maggiori sfide è controllare il processo di sintesi delle nanoparticelle e ottimizzare la loro morfologia allo stesso tempo, " ha detto Natalia da Silva Moura, uno studente laureato nel gruppo di Dorman alla LSU. "I dati sui neutroni ci consentono di vedere come ogni forma interagisce con le nostre molecole target e quindi migliorare il design per massimizzare l'efficienza del riscaldamento e delle reazioni localizzate".

Parte dell'esperimento include l'impulso del campo RF per limitare la reazione e prevenire la formazione di coke sulla superficie. Di particolare interesse è la quantità di trasferimento di energia causato durante il riscaldamento in funzione della frequenza e dell'intensità del campo magnetico. Una volta compresa questa relazione, gli scienziati hanno in programma di sviluppare nuovi catalizzatori per guidare le reazioni lungo percorsi alternativi che aumentano la selettività e la resa senza la necessità di applicare temperature elevate, che aiuterà a raggiungere un obiettivo del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per una maggiore efficienza energetica nell'industria statunitense.