En stor ny tillämpning av Dynamic Nuclear Polarization NMR-teknologi vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory har lett till möjligheten att undersöka den kemiska strukturen hos katalysatorer med en rumslig upplösning på mindre än en piometer, eller en biljondels meter. Den förmågan gör det möjligt för forskare att bättre förstå, och designa effektivare katalysatorer för produktion av bränslen och högvärdiga kemikalier

I den här studien, forskare kunde mäta längden av O-H-bindningar på katalytiska ytstrukturer, och korrelera dessa bindningslängder till materialets relativa surhet.

I konventionell Nuclear Magnetic Resonance (NMR)-teknik, forskare kan få fysisk och kemisk information om material de undersöker baserat på hur atomkärnor i provet interagerar med ett starkt magnetfält. Med Ames Laboratorys Dynamic Nuclear Polarization NMR (DNP-NMR) spektrometer, som är unikt lämpad för materialkemiforskning, mikrovågor används för att polarisera elektronerna, som därefter exciterar kärnorna i provet som analyseras. Parat med innovativa experimentella tekniker, vilket resultat är en mycket känslig läsning av provet, storleksordningar snabbare än traditionella NMR-metoder.

"Konventionell NMR i fast tillstånd kan, i princip, belysa strukturen av material med precision i atomär skala. Dock, NMR:s grundläggande brist på känslighet utmanar ofta dess tillämpningar på ytor och gränssnitt, och det är där katalys faktiskt sker, sa Marek Pruski, Ames Laboratory senior forskare och forskargruppens huvudutredare. "Det är här DNP-NMR kommer in. Med sin förbättrade signal, det ger ett unikt analytiskt verktyg för att fastställa de till synes små skillnaderna i materialstruktur som ofta bestämmer deras prestanda."

Upptäckten är en del av ett större forskningsområde, använder en svårmätbar isotop av syre, ¹⁷ O, att analysera material med DNP-NMR.

"Det är den enda isotopen av syre som är mätbar med NMR, men dess naturliga överflöd är tyvärr oöverkomligt lågt, sa Frédéric Perras, postdoktor. "Det innebar att berika dina prover med dyra ¹⁷ O isotoper – vilket ibland är mycket svårt – var obligatoriskt. DNP-NMR ger en ny väg att göra ¹⁷ O NMR, utan isotopberikning."

"Denna förmåga öppnar nya dörrar för katalysforskningen, " sa Igor Slowing, en vetenskapsman som studerar heterogen och gränssnittskatalys vid Ames Laboratory. "Om vi ​​kan se de aktiva platserna för katalysatorer på denna detaljnivå, vi kan börja verkligen förstå hur de fungerar och sedan förbättra dem. Detta kan ha en betydande inverkan på många branscher."

Forskningen diskuteras vidare i tidningen, "Naturligt överflöd ¹⁷ O DNP SENS tillhandahåller ¹⁷ O-1H Avstånd med Sub-Picometer Precision och insikter i Brønsted Acidity, " författad av Frédéric Perras, Zhuoran Wang, Pranjali Naik, Igor I. Sakta, och Marek Pruski; och publiceras i Angewandte Chemie .