Forskare har använt neutronspridning för att identifiera hemligheten till ett metallorganiskt ramverk (MOF) förmåga att effektivt omvandla kemikalier, genom en process som kallas katalys, till nya ämnen. Genom att sondera ett material som kallas MOF-808-SO4, laget upptäckte molekylärt beteende som gör att katalysatorn blir mindre sur, vilket kan bromsa den katalytiska processen som är avgörande för tillverkning av produkter som plast, dofter, kosmetika, flamskyddsmedel och lösningsmedel.

Deras fynd, detaljerad i naturkemi, förväntas hjälpa till att stimulera utvecklingen av nya MOF -katalysatorer som industrin kan använda för att förbättra processen att göra ämnen som petroleum till C8 -kemikalier - kemikalier med åtta kolatomer.

För att studera MOF:s molekylära beteende, forskare från University of California – Berkeley, Stanford, Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory och DOE's Oak Ridge National Laboratory utförde experiment på POWGEN -instrumentet vid Spallation Neutron Source på ORNL. De upptäckte vad som gör MOF-808-SO4 till en effektiv katalysator och varför, under vissa förutsättningar, det tappar sin effektivitet med tiden.

"Vi utvecklade en ny MOF som är en mycket bra katalysator för produktion av C8 -kemikalier, men vi hade inte identifierat den aktiva platsen i materialet som var ansvarig för dess utmärkta katalytiska prestanda, "sa Omar Yaghi från UC Berkeley.

MOF som MOF-808-SO4 har hög potential för framtida katalysapplikationer på grund av deras enormt höga ytarea och mångsidighet i kemiska motiv. De används ännu inte i stor utsträckning i kemisk produktion eftersom de för närvarande är dyrare att producera än de mer använda zeoliterna, som är material med porösa strukturer baserade på kiseldioxid (en av huvudingredienserna i sand).

"Vi upptäckte att en Brønsted -syraplats, i en mycket specifik konfiguration, ansvarar främst för MOF:s katalytiska aktivitet, och att MOF blir mindre effektivt med tiden när den katalytiska processen orsakar utarmning av vatten i den platsen, "Sa Yaghi.

Brønsted -syror är kemiska föreningar som "vill" donera positivt laddade vätejoner till andra basmolekylära strukturer som vill ta tag i protonerna. Detta sker eftersom de har extra elektroner, ger dem en negativ laddning som starkt lockar protoner.

Den starkaste Brønsted-syran i MOF-808-SO4 består av ett specifikt arrangemang av adsorberat vatten och sulfat på kluster av zirkoniumoxid. När en vattenmolekyl adsorberas till en zirkoniumatom, den deltar i en vätebindning. Detta motiv, i tur och ordning, resulterar i närvaro av en starkt sur proton. Vid uttorkning, materialet tappar sin surhet.

Att förstå hur och var vatten binder till MOF är avgörande för när MOF är väl hydrerad, den uppvisar utmärkt katalytisk prestanda.

Neutroner är unikt känsliga för lättare element som väte och syre vilket gör dem perfekt lämpade för att lokalisera vattnet och syraställena. Forskare utnyttjade dessa egenskaper med neutronpulverdiffraktion på POWGEN.

"Vi försökte slutföra forskningsprojektet med röntgendiffraktion, men vi kunde inte definitivt lokalisera väte och vatten i strukturen - delvis för att vi inte kunde odla en enda kristall av MOF som var tillräckligt stor, "sa Chris Trickett från UC Berkeley." De unika egenskaperna hos neutroner och ORNL:s modelleringsexpertis lockade vår uppmärksamhet, eftersom det gjorde det möjligt att studera MOF i pulverform och i en inert miljö för att få de saknade strukturella data som vi behövde. "

Neutronpulverdiffraktion är idealisk för att studera material som forskare inte kan syntetisera som en enda kristall som är tillräckligt stor och förblir stabil tillräckligt länge för att studeras. När experimentet är klart, neutronpulverdiffraktionsdata bearbetades och ingav sedan en modell skapad av forskargruppen som gjorde det möjligt för dem att tolka informationen.

"Jag arbetade mycket nära Chris från provberedning för pulverdiffraktionsmätningar till dataanalys av neutronstudien, "sa ORNL:s Ashfia Huq, en instrumentforskare för POWGEN. "Tack vare modern teknik, vi kunde Skype med varandra för att arbeta igenom detaljerna i modelleringen av data som var avgörande för att knäcka strukturen i denna förening. "

Forskare från hela världen försöker förstå hemligheterna för hur dessa material fungerar i atomvåg så att de kan designa effektivare och billigare MOF. Efter nästan två decennier av intensiv forskning, MOFs äntligen får användning på nischmarknader som ny gaslagring och utsläpp, men målet är att låsa upp deras mysterier och hitta utbredd kommersiell användning.

Forskargruppen hoppas kunna fortsätta studera denna MOF och testa deras teori om att den enkelt kan laddas genom att introducera vattenånga under den katalytiska processen.

"Om vi ​​kan visa ett enkelt och billigt sätt att ladda detta material, det kommer att göra det till ett mycket attraktivt alternativ till de billiga men ineffektiva katalysatorer som den kemiska industrin använder idag, "sa Trickett." Vårt arbete kan identifiera nya sätt att producera denna MOF billigare eller ytterligare öka dess effektivitet. "