Forskare från det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory har kartlagt dynamiken i en katalysators aktiva plats i tre dimensioner. Denna prestation ger forskare nya insikter om hur dessa katalysatorer fungerar, och potentiella vägar för att förbättra deras selektivitet och effektivitet.

Katalysatorer används för att påskynda hastigheten av kemiska reaktioner och har tusentals tillämpningar inom petroleumraffinering, produktion av biobränslen, Livsmedelsbearbetning, läkemedel och tillverkning. Människor har använt katalysatorer i tusentals år, mycket längre än begreppet har förståtts och studerats av vetenskapen, vilket är över 200 år. Och trots all den historia, mysterier kvarstår om exakt hur katalysatorer fungerar, med detaljer på ångströmsnivå som saknas i hela bilden.

En viktig del av framgången för en katalysator tros vara dess förmåga att ändra sin konformation för att forma sig efter de inkommande reaktanterna, på så sätt underlätta deras interaktion och kemiska omvandling. Denna dynamiska omarrangering liknar till viss del det sätt som fästa korallpolyper reagerar på när havsvatten rinner näringsämnen över dem.

"Tidigare forskning har visat att dynamiken hos katalysatorer har en viktig inverkan på katalytisk prestanda, " sa Ames Laboratory-forskaren Frederic Perras. "Ändå tills nyligen, vi hade inte förmågan att observera dem på den detaljnivån. Med de senaste framstegen inom kärnmagnetisk resonans (NMR) tekniker, vi kan få en mycket tydligare bild av dessa rörelser på atomnivå."

I denna forskning, forskarna jämförde den strukturella dynamiken hos en skandiumbaserad katalysator i dess kristallina form med den hos den ytmonterade kiseldioxidformen med hjälp av avancerade tekniker inom fast tillståndskärnmagnetisk resonans (SSNMR) och dynamisk nukleär polarisation (DNP). Dessa jämförelser, kombinerat med beräkningsmodellering, gav en tydligare, mer detaljerad förståelse av hur stödda komplex rör sig i tredimensionellt rum. Ett nyckelfynd av studien var att simuleringar av molekylär dynamik förutspådde fler rörelser med stor amplitud än vad som observerades experimentellt, antydde att yttopologin i sig kan begränsa dessa rörelser. Ytterligare studier kommer att utföras för att avgöra om det är möjligt att justera dynamiken för en katalytisk plats genom att ändra topologin för stödet.

Forskningen diskuteras vidare i artikeln "Att observera den tredimensionella dynamiken hos stödda metallkomplex, " publicerad i Oorganisk kemi gränser .