Forskare vid U.S. Department of Energy's Ames Laboratory har utvecklat en djupare förståelse för den perfekta designen för mesoporösa nanopartiklar som används i katalytiska reaktioner, såsom kolväteomvandling till biobränslen. Forskningen hjälper till att bestämma den optimala diametern för kanaler i nanopartiklarna för att maximera katalytisk produktion.
Porösa nanopartiklar är lab-skapade små sfärer som innehåller ännu tunnare parallella kanaler eller porer. I katalytiska processer, varje kanal i en partikel är fodrad med katalytiska platser som omvandlar en reaktant till en produkt. Det som är tilltalande med porösa nanopartiklar är att porernas väggar ger en betydande ytarea för att stödja katalytiska platser i en superliten sfär. Och, som man kan förvänta sig, desto fler porer, desto mer yta, desto bättre är den katalytiska reaktionen.
"Nackdelen är att när de katalytiska platserna ligger inom smala porer, som är fallet med mesoporösa nanopartiklar, hela reaktionen, inklusive rörelse av reaktanter och produkter måste ske inom den smala kanalen, "sa Jim Evans, en forskare vid Ames Laboratory som ledde forskningen. "Precis som alla som har befunnit sig försöka röra sig i en fullsatt livsmedelsbutik, det är inte alltid så lätt att flytta förbi andra i ett mycket trångt utrymme. "
Så, den optimala designen för mesoporösa nanopartiklar är beroende av diametern på de enskilda kanalerna:smala nog för att passa så många porer i varje partikel som möjligt för att maximera antalet katalytiska platser - men tillräckligt bred för att katalytiska produkter och reaktanter lätt ska klämmas av varandra och effektivt slutföra reaktionen. För att bestämma denna "sweet spot" för kanaldiameter, forskare måste bättre förstå hur molekyler rör sig förbi varandra inom kanalen.
"Särskilt, det är bra att veta hur ofta ett par reaktant- och produktmolekyler i närheten passerar varandra och hur ofta de skiljer sig från varandra. Att bestämma denna "passeringssannolikhet" för olika pordiametrar och olika relevanta molekylära former hjälper till att avgöra hur smala kanaler som kan vara innan den katalytiska effekten reduceras, sa Evans.
Evans och hans medarbetare körde miljontals simuleringsförsök för par av sfärformade molekyler och par av mer oregelbundet formade molekyler. Dessa möjliggjorde exakt bestämning av passande sannolikhetsbeteende för smala porer.
"Dock, simulering blir krävande och ger mindre tillförlitlighet för realistiska oregelbundna molekyler med många rotationsfrihetsgrader. Också, bara att köra simuleringar ger inte nödvändigtvis en djup förståelse för vilka funktioner som styr beteende, sa Evans.
Så, han samlade expertis på Ames Laboratory i både teoretisk kemi och tillämpad matematik för att bestämma och implementera de bästa teoretiska och modelleringsverktygen för att få mer tillförlitliga resultat och djupare insikter om hur passeringssannolikheten faller till noll när kanalstorleken minskar.
"Det var den integrerade kombinationen av intensiva simuleringar och ny analytisk teori som tillsammans gav ett betydande framsteg i vår förståelse av dessa viktiga molekylära passeringsprocesser. Med denna typ av insikt, i princip, porösa nanopartikelsystem kan optimeras, sa Evans.
Resultaten rapporterades i Fysiska granskningsbrev .
