Arizona State Universitys Scott Sayres och hans team har nyligen publicerat en ultrasnabb laserstudie om oladdade järnoxidkluster, vilket i slutändan kan leda till utvecklingen av nya och billigare industriella katalysatorer. Det kan också bidra till en bättre förståelse av universum eftersom järnoxider observeras i stjärnas emissionsspektra.

Sayres är biträdande professor vid ASU:s School of Molecular Sciences och fakultetsmedlem i Biodesign Institute's Center for Applied Structural Discovery.

De flesta kemiska industrier använder katalysatorer för att öka reaktionshastigheten och selektiviteten för att erhålla önskade produkter. Till exempel, katalysatorer i avgaserna på våra fordon använder vanligtvis platina, palladium och rodium för att bryta ned föroreningar.

Alla dessa tre metaller är betydligt dyrare än guld, vilket i sin tur är mycket dyrare än järn. I genomsnitt kostar en katalysator 1 dollar, 000 men kan vara så hög som $ 3, 000 per fordon.

"Metalloxider i övergång används ofta som heterogena katalysatorer inom den kemiska industrin, "Sayres sa." Den fotokatalytiska processen fortsätter genom en rad komplexa reaktioner, och en grundläggande förståelse för dessa katalytiska mekanismer saknas fortfarande. Gasfasstudier på molekylskalakluster gör att vi kan undersöka kemiska aktiviteter och mekanismer i en ostörd miljö. Klusternas atomprecision kan användas för att identifiera föredragna adsorptionsplatser, geometrier eller oxidationsställen som möjliggör kemiska transformationer. "

FenOm -klustren som undersöks här har olika sammansättningar:n och m varierar men är mindre än 16. Fe är den kemiska symbolen för järn och O hänvisar till syre.

"Denna forskning har inte bara avslöjat de stabila fragmenten av bulkjärnoxidmaterial utan har visat hur förändringen i atomkomposition kan påverka stabiliteten och reaktiviteten hos dessa fragment, "sa Jake Garcia, doktorand och första författare till denna uppsats.

"Genom att lösa dynamiken i exciterade tillstånd för atomiskt exakta material som järnoxider, vi går ett steg närmare att skapa mer riktade molekylära katalysatorer och förstå de reaktioner som kan äga rum i interstellära medier. "

Garcia fortsätter att han har funnit en passion för att bygga experimentella instrument i Sayres lab, och älskar att studera material som är relevant för planet- och jordvetenskap.

Ryan Shaffer, som var en grundstudent som arbetade i Sayres lab, är den andra författaren till det aktuella verket.

Upptäcker kluster av järnoxid

Experiment med elektriskt laddade kluster har varit vanliga eftersom de kan väljas massa med elektriska eller magnetiska krafter och därefter reageras individuellt. Klusterjoner är uppenbarligen mycket mer reaktiva än deras kondenserade fasanaloger och neutraler på grund av deras nettoladdning.

Mycket mindre arbete har gjorts med neutrala kluster som rapporterats här, som är ännu bättre efterliknar de verkliga aktiva platserna i kondenserade faser och deras ytkemi. Nettoladdningen påverkar klusterreaktiviteten avsevärt, och inflytandet blir viktigare när klusterstorleken minskar på grund av laddningslokalisering.

"Tidsramen för elektronövergångar efter excitation är av grundläggande intresse för förståelsen av reaktionsdynamik. Kluster är atomiskt precisa samlingar av atomer, där addition eller subtraktion av en enda atom drastiskt kan förändra reaktiviteten hos klustret, "Sayres sa." I detta arbete tillämpar vi ultrasnabb pumpsondspektroskopi för att studera den hastighet med vilken energi rör sig genom små järnoxidkluster. "

Laserpulserna är extremt korta:en tusendels av en miljarddel av en sekund.

Sayres drar slutsatsen att livslängden för exciterat tillstånd påverkas starkt av atomiskt exakta förändringar av klusterkompositionen. Specifikt, ju högre oxidationstillstånden för metallen är, desto snabbare omvandlas fotoexcitationsenergin till vibrationer. De har funnit att livslängden för upphetsat tillstånd är starkt beroende av storlek och oxidationstillstånd.

Katalysatorer används också i stor utsträckning för att minimera de skadliga biproduktföroreningarna i miljöapplikationer. Förbättrade reaktionshastigheter leder till högre produktionsvolymer vid lägre temperaturer med mindre reaktorer och enklare konstruktionsmaterial.

När en mycket selektiv katalysator används, stora volymer av önskade produkter produceras med praktiskt taget inga oönskade biprodukter. Bensin, diesel, hemvärmeolja och flygbränslen är skyldiga sin prestanda kvalitet till katalytisk bearbetning som används för att uppgradera råolja.

Mellankemikalier vid tillverkning av farmaceutiska produkter använder katalysatorer, liksom livsmedelsindustrin i produktionen av dagliga ätbara produkter. Katalysatorer spelar en nyckelroll i utvecklingen av nya energikällor och en mängd olika tillvägagångssätt för att mildra klimatförändringar och kontrollera atmosfärisk koldioxid.