Un grupo de científicos dirigido por la Universidad Noroeste, por primera vez, ha observado directamente la catálisis en acción en el nivel nuclear.
En los entretenidos nuevos videos, los átomos individuales se mueven durante una reacción química y temblor que elimina los átomos de hidrógeno de las moléculas de alcohol. Los investigadores descubrieron el proceso en tiempo real, así como varias moléculas medias a corto plazo asociadas con la reacción, así como la ruta de respuesta previamente oculta.
Se hizo posible una única microscopía electrónica que consume tiempo de resolución nuclear (Smart-EM), es un material poderoso que permite a los investigadores ver la reacción de las moléculas individuales en tiempo real.
De esta manera, los catalizadores que observan las reacciones ayudan a comprender cómo funcionan los catalizadores. Estas nuevas ideas pueden conducir al diseño de procesos químicos más eficientes y sostenibles.
Este estudio se publicará en la revista el viernes (7 de abril) LevaEl
“Este proceso se imagina y sigue el proceso de reacción. Podemos entender exactamente lo que está sucediendo en los mejores detalles”, el primero y co-asociado autor de este estudio dijo Yosi Craratish en el noroeste. “En el pasado, no podíamos ver cómo se alejaban los átomos. Ahora podemos. Cuando me di cuenta de lo que habíamos logrado, tuve que cerrar mi computadora portátil y tomar unas horas de descanso. Nadie en la catálisis lo hizo antes, así que me sorprendió”.
“Los catalizadores hacen posible la vida moderna”, dice el noroeste de Tobin J Marx, autor principal de Research. “Se utilizan para hacer de todo, desde combustible y fertilizante hasta plástico y drogas. Necesitamos comprender exactamente cómo funcionan los catalizadores en los niveles nucleares para hacer que los procesos químicos sean más eficientes y ecológicos. Nuestro estudio es un gran paso para lograrlo”.
Charles E es el experto en Catalogis, Marx. El Grupo Craratish Marx es profesor asistente de investigación de química. Michael Bedzik, profesor de ciencia material e ingeniería de Marx y Crasatish Mcists, ha otorgado el liderazgo del estudio y George C C., profesora de Emma H. Morrison del Departamento de Química en Weinberg.
Capturar moléculas con ‘química cinemática’
Los investigadores han intentado durante mucho tiempo observar eventos catalizantes en vivo a nivel nuclear. Las reacciones químicas son como viajar entre materiales tempranos y productos finales. A lo largo del viaje, pasando, y a veces inesperado, se forman las moléculas y luego de repente se convierten a otras moléculas. Dado que estas moléculas “intermedias” que se encuentran así son impredecibles y transitorias, son difíciles de identificar.
La respuesta parece directamente, sin embargo, los científicos pueden determinar la secuencia exacta de eventos para revelar toda la ruta de respuesta y verlos bajo intermediarios. Sin embargo, hasta hace poco, esta movilidad secreta era imposible de observar. Aunque los microscopios electrónicos tradicionales pueden hacer imágenes nucleares, sus haces son muy poderosos para ilustrar la materia suave y orgánica utilizada en la catalisis. Los electrones de alta potencia rompen fácilmente la estructura a base de carbono, los científicos los destruyen antes de recopilar datos.
“La mayoría de las técnicas de microscopía electrónica de infecciones convencionales funcionan en situaciones que dañan fácilmente las moléculas orgánicas”, dijo Kratish. “Hace que sea extremadamente difícil observar directamente catalizadores sensibles o materia orgánica durante la reacción utilizando los métodos tradicionales de TM”.
Para superar este desafío, el equipo se convirtió en inteligencia, una técnica elegante que podría capturar imágenes de moléculas orgánicas finas. Presentado por Nakamura y su equipo en 2018, Smart-EM utiliza mucho menos dosis de electrones, reduce la cantidad de energía transferida a la muestra y la cantidad de daño. Las secuencias rápidas de las imágenes capturan las secuencias, creando videos de los procesos dinámicos inteligentes, que se llama “química cinemática”.
“Desde el 20 de 2007, los físicos han podido realizar un sueño de más de 200 años, la capacidad de una persona para visitar átomos”, dijo Nakamura en un comunicado de 2019. “Pero no terminó aquí. Nuestro equipo de investigación ha llegado a este sueño para hacer videos de moléculas para ver reacciones químicas en detalles sin recursos”.
Difuso
Al aplicar Smart-EM a la catalosis por primera vez, el equipo del noroeste eligió una reacción química común: eliminar los átomos de hidrógeno de las moléculas de alcohol. Pero primero necesitan ser seleccionados correctamente catalizador. Alrededor del 85% de los catalizadores industriales son diferentes, lo que significa que son sustancias sólidas que reaccionan con líquido y gas. Aunque los diferentes catalizadores son estables y eficientes, son desordenados, con diferentes sitios de superficie donde pueden ocurrir reacciones.
Craratish dijo: “Los diferentes catalizadores tienen muchos beneficios”. “Pero en muchos casos es una caja negra, tienen un número desconocido de sitios donde la reacción puede causar, por lo que no entendemos exactamente dónde y cómo está la reacción, por lo que no entendemos exactamente qué parte del catalizador es más efectiva”.
Para facilitar el estudio de Catalyst, el equipo del noroeste diseñó un solo sitio con un sitio activo definido. El catalizador de un solo sitio está compuesto por partículas de óxido de molibodeno ancladas en nanota de carbono en forma de cono. Luego, el equipo usó Smart-EM para investigar la transformación de etanol en el gas de hidrógeno, una clara alternativa al combustible fósil.
“Tener un solo sitio es mucho más conveniente”, dijo Kratish. “Podemos elegir un buen sitio para ser monitoreado y realmente acercarlo”
Revelar un camino oculto
Antes de estudiar, los científicos publicaron que el alcohol ha entrado directamente en el catalizador, donde se convirtió en gas de hidrógeno y aldehído (una molécula que forma moléculas de alcohol al oxidarse). Desde allí, el gas a temperatura ambiente, el aldehído escapa en el aire. Sin embargo, el proceso reveló una historia diferente publicada.
Usando Smart-EMS, los investigadores han descubierto que el aldehído no elimina sino en lugar del catalizador. También encontraron aldehídicos conectados juntos para formar un polímero de cadena corta; anteriormente era un paso desconocido el que parecía llevar a cabo reacciones generales. Para otra sorpresa, los investigadores descubrieron que el aldehído también respondió a la formación de hemiacetal con alcohol, que es una molécula intermedia que luego se convirtió a otros productos.
Para confirmar estas búsquedas, el equipo ha utilizado varias técnicas de microscopía, análisis de rayos X, modelos teóricos y simulaciones por computadora. Haga coincidir todos los datos Smart-EM.
“Este es un gran progreso”, dijo Kratish. “Smart-EM estamos cambiando la forma de ver la química. Al final, queremos alienar a esos intermediarios, para controlar la cantidad de energía que ponemos en el sistema y estudiar la dinámica de un catalizador orgánico vivo. Será increíble” esto es solo “.
La “imagen de resolución nuclear” fue apoyada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos como una herramienta mecánica para estudiar diferentes catálisis en un solo sitio. Instituto Internacional de Nano Tecnología de Marx, Instituto de Procesos de Química de Vida y el Instituto de Entrenamiento de Paula M. para el Instituto de Combustible de Combustible.