Scott Sayres dell'Arizona State University e il suo team hanno recentemente pubblicato uno studio laser ultraveloce su ammassi di ossido di ferro non caricati, che alla fine potrebbe portare allo sviluppo di catalizzatori industriali nuovi e meno costosi. Potrebbe anche contribuire a una migliore comprensione dell'universo poiché gli ossidi di ferro sono osservati negli spettri di emissione delle stelle.

Sayres è assistente professore presso la School of Molecular Sciences dell'ASU e membro di facoltà presso il Center for Applied Structural Discovery del Biodesign Institute.

La maggior parte delle industrie chimiche utilizza catalizzatori per aumentare la velocità di reazione e la selettività nell'ottenere i prodotti desiderati. Per esempio, i convertitori catalitici negli scarichi dei nostri veicoli usano comunemente platino, palladio e rodio per aiutare ad abbattere gli inquinanti.

Tutti e tre questi metalli sono significativamente più costosi dell'oro, che è a sua volta molto più costoso del ferro. In media un convertitore catalitico costa $ 1, 000 ma può arrivare fino a $ 3, 000 per veicolo.

"Gli ossidi dei metalli di transizione sono ampiamente utilizzati come catalizzatori eterogenei nell'industria chimica, " Sayres ha detto. "Il processo fotocatalitico procede attraverso una serie di reazioni complesse, e manca ancora una comprensione fondamentale di questi meccanismi catalitici. Gli studi in fase gas su cluster su scala molecolare ci consentono di sondare attività e meccanismi chimici in un ambiente non perturbato. La precisione atomica dei cluster può essere utilizzata per identificare i siti di adsorbimento preferiti, geometrie o siti di ossidazione che consentono trasformazioni chimiche."

I cluster FenOm qui esaminati hanno composizioni diverse:n e m variano ma sono inferiori a 16. Fe è il simbolo chimico del ferro e O si riferisce all'ossigeno.

"Questa ricerca non ha solo rivelato i frammenti stabili di materiali sfusi di ossido di ferro, ma ha mostrato come il cambiamento nella composizione atomica possa influenzare la stabilità e la reattività di questi frammenti, "ha detto Jake Garcia, studente laureato e primo autore di questo articolo.

"Risolvendo la dinamica dello stato eccitato di materiali atomicamente precisi come gli ossidi di ferro, ci avviciniamo di un passo alla creazione di catalizzatori molecolari più diretti e alla comprensione delle reazioni che possono aver luogo nei media interstellari".

Garcia continua di aver trovato la passione per la costruzione di strumenti sperimentali nel laboratorio di Sayres, e ama studiare materiali rilevanti per le scienze planetarie e della terra.

Ryan Shaffer, che era uno studente universitario che lavorava nel laboratorio di Sayres, è il secondo autore dell'opera attuale.

Rilevamento di cluster di ossido di ferro

Gli esperimenti con ammassi caricati elettricamente sono stati comuni perché possono essere selezionati in massa con forze elettriche o magnetiche e successivamente reagiti individualmente. Gli ioni cluster sono chiaramente molto più reattivi dei loro analoghi in fase condensata e dei neutri a causa della loro carica netta.

Molto meno lavoro è stato fatto con i cluster neutri qui riportati, che imitano ancora meglio i veri siti attivi delle fasi condensate e la loro chimica di superficie. La carica netta influisce in modo significativo sulla reattività del cluster, e l'influenza diventa più importante man mano che la dimensione del cluster diminuisce a causa della localizzazione della carica.

"Il lasso di tempo delle transizioni degli elettroni dopo l'eccitazione è di fondamentale interesse per la comprensione delle dinamiche di reazione. I cluster sono raccolte atomicamente precise di atomi, dove l'aggiunta o la sottrazione di un singolo atomo può cambiare drasticamente la reattività del cluster, " Sayres ha detto. "In questo lavoro applichiamo la spettroscopia a pompa ultraveloce per studiare la velocità con cui l'energia si muove attraverso piccoli ammassi di ossido di ferro".

Gli impulsi laser sono estremamente brevi:un millesimo di miliardesimo di secondo.

Sayres conclude che la durata dello stato eccitato è fortemente influenzata da cambiamenti atomicamente precisi nella composizione del cluster. Nello specifico, più alti sono gli stati di ossidazione del metallo, più velocemente l'energia di fotoeccitazione viene convertita in vibrazioni. Hanno scoperto che la durata dello stato eccitato dipende molto dalle dimensioni e dallo stato di ossidazione.

I catalizzatori sono anche ampiamente utilizzati per ridurre al minimo gli inquinanti nocivi del sottoprodotto nelle applicazioni ambientali. Velocità di reazione migliorate si traducono in volumi di produzione più elevati a temperature più basse con reattori più piccoli e materiali di costruzione più semplici.

Quando viene utilizzato un catalizzatore altamente selettivo, grandi volumi di prodotti desiderati vengono prodotti praticamente senza sottoprodotti indesiderati. Benzina, diesel, l'olio per riscaldamento domestico e i combustibili per aviazione devono le loro prestazioni di qualità al trattamento catalitico utilizzato per migliorare il petrolio greggio.

I prodotti chimici intermedi nella produzione di prodotti farmaceutici utilizzano catalizzatori, così come l'industria alimentare nella produzione di prodotti commestibili di tutti i giorni. I catalizzatori stanno svolgendo un ruolo chiave nello sviluppo di nuove fonti di energia e di una varietà di approcci per mitigare i cambiamenti climatici e controllare l'anidride carbonica atmosferica.