Över hela världen, den kemiska industrin använder katalysatorer – ämnen som underlättar kemiska reaktioner – i cirka 90 % av alla kemiska tillverkningsprocesser som ett sätt att optimera energianvändningen och minska utsläppen av växthusgaser. Katalysbranschens omfattning tyder på att eventuella minskningar av energiförbrukningen för vissa kemiska processer kan ha betydande ekonomiska och miljömässiga konsekvenser.

Forskare från Louisiana State University (LSU) använder neutroner vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att studera effekterna av att använda ett alternerande elektromagnetiskt fält för att producera lågtemperaturkatalytiska reaktioner genom att värma järnoxidnanopartiklar med kolvätemolekyler fästa på nanopartikelytan. Forskarna använde en radiofrekvensgenerator (RF) för att stimulera nanopartiklarna, överföra den alstrade värmen till de enskilda kolvätemolekylerna och omstrukturera deras kemiska bindningar för att producera förädlade produkter.

"Vi vill avsevärt minska energiförbrukningen och öka effektiviteten av den katalytiska reaktionen genom att isolera värmegenereringen till molekylens plats, istället för att värma upp hela reaktorer till extremt höga temperaturer, sa James Dorman, professor vid institutionen för kemiteknik vid LSU. "En sänkning av den totala processtemperaturen under katalys minskar också bildningen av koks och oönskade biprodukter, som utsläpp av växthusgaser."

Teamet exponerade sina prover för ett RF-fält i en laboratoriekammare, doppade dem efteråt i flytande kväve för att frysa allt på plats, och observerade sedan resultaten med neutronbaserad vibrationsspektroskopi vid VISION-strållinjen vid ORNL:s Spallation Neutron Source. Neutronspridning i kombination med vibrationsspektroskopi är en idealisk metod för att studera energiöverföring över oorganisk-organiska gränssnitt.

LSU-forskare utvecklar för närvarande avancerade metoder för att syntetisera järnoxidnanopartiklar och modifiera deras form för att kontrollera ett provs ytplatser som är involverade i adsorption och ytreaktioner. Olika partikelmorfologier, inklusive sfärer, kuber, och hexagoner, kan produceras för att optimera deras användning i olika katalytiska tillämpningar.

"En av våra största utmaningar är att kontrollera processen att syntetisera nanopartiklar och optimera deras morfologi samtidigt, sa Natalia da Silva Moura, en doktorand i Dormans grupp på LSU. "Neutrondata gör det möjligt för oss att se hur varje form interagerar med våra målmolekyler och sedan förbättra designen för att maximera effektiviteten av den lokala uppvärmningen och reaktionerna."

En del av experimentet inkluderar att pulsera RF-fältet för att begränsa reaktionen och förhindra bildning av koks på ytan. Av särskilt intresse är mängden energiöverföring som orsakas under uppvärmning som en funktion av magnetfältets frekvens och styrka. När detta förhållande väl är förstått, forskarna planerar att utveckla nya katalysatorer för att driva reaktioner längs alternativa vägar som ökar selektiviteten och utbytet utan att behöva applicera höga temperaturer, som kommer att bidra till att uppfylla ett mål för US Department of Energy (DOE) för ökad energieffektivitet i amerikansk industri.