Forskare vid U.S. Department of Energy's Ames Laboratory och deras kollegor har upptäckt ett sätt att lösa upp mysterierna i komplexa reaktionsnätverk genom att använda ett mätverktyg på ett unikt sätt.

Katalys är en grundläggande kemisk process som används i många tillverkningsindustrier - den påskyndar nedbrytning eller kombination av föreningar till nya, för produktion av så olika saker som livsmedel, mediciner, plast, och bränslen. Gör katalys mer exakt, effektiv och multifunktionell har potential att minska antalet steg i tillverkningsprocesser, minska avfall eller skadliga biprodukter, och minska energiförbrukningen.

Att göra detta, Ames Laboratory-associerade vetenskapsmannen Long Qi använde ett nyutvecklat verktyg, kallad operando magisk vinkel spinnande kärnmagnetisk resonansspektroskopi (operando MAS-NMR), och applicerade den på katalytiska reaktioner i realtid under högt tryck. På det här sättet, Qi kunde kartlägga den komplexa aktiviteten som utvecklas när en katalysator transformerar och ordnar om molekyler.

"Det är inte bara en eller två eller tre molekyler. I detta experiment, vi identifierade sex mellanarter, två huvudprodukter, och 10 transformationssteg, och den komplexitetsnivån är en egenskap hos dessa nätverk "sa Qi." Informationen vi fick i detta arbete är mycket användbar för att uppnå högre produktivitet av dessa komplexa reaktionsnätverk. "

"Problemet med traditionella undersökningar av katalys är att vi ser vad vi lägger i i början och vi ser vad vi får ut i slutet, men det som händer i mitten är den saknade länken, "sa Wenyu Huang, en forskare vid Ames Laboratory's Chemical and Biological Science Division, som forskar inom områdena heterogen katalys med hjälp av intermetalliska föreningar (IMC), och metalliska organiska ramverk (MOF). "I det här arbetet, Vi visar att förståelse av dessa mellansteg är nyckeln till att kunna justera dessa processer för att uppnå önskade slutprodukter. "

Teamet kartlade ett katalytiskt system som är av intresse eftersom dess produkter kan användas som nyckelkomponenter i läkemedel eller i väteförvaringsteknik. Med den kunskap de fick av operandomas MAS-NMR-kartläggning, de kunde välja produktion av antingen tetrahydrokinolin eller kinolin ur reaktionen genom att tillsätta en ytterligare katalysator för att verka vid ett kinetiskt kontrollerat kritiskt steg, med vatten som enda biprodukt.

"Tanken att vi kan byta produkter för on-demand-syntes är ett nytt koncept, "sa Qi." Konsekvensen för forskning är att vi kan undvika långa försök och felförsök. För industrin, det har potential att effektivisera produktionen och minska kostnaderna. "

Forskningen diskuteras vidare i tidningen, "Att dechiffrera ett reaktionsnätverk för omkopplingsbar produktion av tetrahydrokinolin eller kinolin med MOF-stödda Pd Tandem-katalysatorer, "publicerad i ACS -katalys .