Gli scienziati hanno utilizzato la diffusione di neutroni per identificare il segreto della capacità di una struttura metallo-organica (MOF) di convertire in modo efficiente le sostanze chimiche, attraverso un processo chiamato catalisi, in nuove sostanze. Sondando un materiale noto come MOF-808-SO4, il team ha scoperto il comportamento molecolare che fa sì che il catalizzatore diventi meno acido, che potrebbe rallentare il processo catalitico vitale nella realizzazione di prodotti come la plastica, fragranze, cosmetici, ritardanti di fiamma e solventi.

Le loro scoperte, dettagliato in Nature Chemistry, si prevede che contribuiranno a stimolare lo sviluppo di nuovi catalizzatori MOF che l'industria può utilizzare per migliorare il processo di trasformazione di sostanze come il petrolio in sostanze chimiche C8, sostanze chimiche con otto atomi di carbonio.

Per studiare il comportamento molecolare del MOF, scienziati dell'Università della California-Berkeley, Stanford, il Lawrence Berkeley National Laboratory del Department of Energy e l'Oak Ridge National Laboratory del DOE hanno condotto esperimenti sullo strumento POWGEN presso la Spallation Neutron Source situata all'ORNL. Hanno scoperto cosa rende MOF-808-SO4 un catalizzatore efficiente e perché, a determinate condizioni, perde la sua efficacia nel tempo.

"Abbiamo sviluppato un nuovo MOF che è un ottimo catalizzatore per la produzione di prodotti chimici C8, ma non avevamo identificato il sito attivo nel materiale responsabile delle sue eccellenti prestazioni catalitiche, ", ha detto Omar Yaghi dell'UC Berkeley.

I MOF come MOF-808-SO4 hanno un alto potenziale per future applicazioni di catalisi a causa della loro area superficiale enormemente elevata e della loro versatilità nei motivi chimici. Non sono ancora ampiamente utilizzati nella produzione chimica perché attualmente sono più costosi da produrre rispetto alle zeoliti più utilizzate, che sono materiali con strutture porose a base di silice (uno degli ingredienti principali della sabbia).

"Abbiamo scoperto che un sito acido di Brønsted, in una configurazione molto specifica, è principalmente responsabile dell'attività catalitica del MOF, e che il MOF diventa meno efficiente nel tempo quando il processo catalitico provoca l'esaurimento dell'acqua in quel sito, " ha detto Yaghi.

Gli acidi di Brønsted sono composti chimici che "vogliono" donare ioni idrogeno carichi positivamente ad altre strutture molecolari di base che vogliono catturare i protoni. Ciò si verifica perché hanno elettroni in più, dando loro una carica negativa che attrae fortemente i protoni.

L'acido di Brønsted più forte in MOF-808-SO4 consiste in una disposizione specifica di acqua e solfato adsorbiti su cluster di ossido di zirconio. Quando una molecola d'acqua si adsorbe in un atomo di zirconio, partecipa a un legame idrogeno. Questo motivo, a sua volta, risulta in presenza di un protone fortemente acido. In caso di disidratazione, il materiale perde la sua acidità.

Capire come e dove l'acqua si lega al MOF è fondamentale perché quando il MOF è ben idratato, presenta eccellenti prestazioni catalitiche.

I neutroni sono particolarmente sensibili agli elementi più leggeri come l'idrogeno e l'ossigeno, il che li rende perfettamente adatti a localizzare l'acqua e i siti acidi. Gli scienziati hanno sfruttato queste proprietà utilizzando la diffrazione da polvere di neutroni su POWGEN.

"Abbiamo cercato di completare il progetto di ricerca con la diffrazione dei raggi X, ma non siamo riusciti a localizzare in modo definitivo l'idrogeno e l'acqua nella struttura, in parte perché non siamo riusciti a far crescere un singolo cristallo del MOF che fosse abbastanza grande, " ha affermato Chris Trickett dell'Università di Berkeley. "Le caratteristiche uniche dei neutroni e l'esperienza di modellazione di ORNL hanno attirato la nostra attenzione, perché ha permesso di studiare il MOF sotto forma di polvere e in un ambiente inerte per ottenere i dati strutturali mancanti di cui avevamo bisogno."

La diffrazione da polvere di neutroni è ideale per studiare materiali che gli scienziati non sono in grado di sintetizzare come un singolo cristallo sufficientemente grande e stabile abbastanza a lungo da poter essere studiato. Una volta completato l'esperimento, i dati di diffrazione della polvere di neutroni sono stati elaborati e quindi inseriti in un modello creato dal team di ricerca che ha permesso loro di interpretare le informazioni.

"Ho lavorato a stretto contatto con Chris dalla preparazione del campione per le misurazioni della diffrazione da polvere all'analisi dei dati dello studio sui neutroni, " ha detto Ashfia Huq di ORNL, uno scienziato dello strumento per POWGEN. "Grazie alla moderna tecnologia, potremmo collegarci su Skype per lavorare sui dettagli della modellazione dei dati che sono stati fondamentali per rompere la struttura di questo composto".

Scienziati di tutto il mondo stanno cercando di capire i segreti del funzionamento di questi materiali su scala atomica in modo da poter progettare MOF più efficienti e meno costosi. Dopo quasi due decenni di intense ricerche, I MOF stanno finalmente trovando impiego in mercati di nicchia come lo stoccaggio e il rilascio di nuovi gas, ma l'obiettivo è svelare i loro misteri e trovare un uso commerciale diffuso.

Il team di ricerca spera di continuare a studiare questo MOF e di testare la loro teoria secondo cui può essere facilmente ricaricato introducendo vapore acqueo durante il processo catalitico.

"Se possiamo dimostrare un modo facile ed economico per ricaricare questo materiale, lo renderà un'alternativa molto interessante ai catalizzatori poco costosi ma inefficienti che l'industria chimica utilizza oggi, " ha affermato Trickett. "Il nostro lavoro potrebbe identificare nuovi modi per produrre questo MOF in modo più economico o per aumentarne ulteriormente l'efficacia".