Scott Sayres de la Universidad Estatal de Arizona y su equipo han publicado recientemente un estudio láser ultrarrápido sobre grupos de óxido de hierro sin carga, lo que en última instancia podría conducir al desarrollo de catalizadores industriales nuevos y menos costosos. También podría contribuir a una mejor comprensión del universo, ya que se observan óxidos de hierro en los espectros de emisión de las estrellas.

Sayres es profesor asistente en la Escuela de Ciencias Moleculares de ASU y miembro de la facultad en el Centro de Descubrimiento Estructural Aplicado del Instituto Biodesign.

La mayoría de las industrias químicas utilizan catalizadores para mejorar la velocidad de reacción y la selectividad para obtener los productos deseados. Por ejemplo, Los convertidores catalíticos en los escapes de nuestros vehículos comúnmente usan platino, paladio y rodio para ayudar a descomponer los contaminantes.

Los tres de estos metales son significativamente más caros que el oro, que a su vez es mucho más costoso que el hierro. En promedio, un convertidor catalítico cuesta $ 1, 000 pero puede llegar a $ 3, 000 por vehículo.

"Los óxidos de metales de transición se utilizan ampliamente como catalizadores heterogéneos en la industria química, "Dijo Sayres." El proceso fotocatalítico procede a través de una serie de reacciones complejas, y todavía falta una comprensión fundamental de estos mecanismos catalíticos. Los estudios en fase gaseosa en grupos a escala molecular nos permiten sondear las actividades y los mecanismos químicos en un entorno no perturbado. La precisión atómica de los clústeres se puede utilizar para identificar los sitios de adsorción preferidos, geometrías o sitios de oxidación que permiten transformaciones químicas ".

Los grupos de FenOm que se están investigando aquí tienen diferentes composiciones:nym varían pero son menores que 16. Fe es el símbolo químico del hierro y O se refiere al oxígeno.

"Esta investigación no solo ha revelado los fragmentos estables de materiales de óxido de hierro a granel, sino que ha demostrado cómo el cambio en la composición atómica puede afectar la estabilidad y reactividad de estos fragmentos". "dijo Jake García, estudiante de posgrado y primer autor de este artículo.

"Al resolver la dinámica del estado excitado de materiales atómicamente precisos como los óxidos de hierro, damos un paso más hacia la creación de catalizadores moleculares más dirigidos y la comprensión de las reacciones que pueden tener lugar en los medios interestelares ".

García continúa diciendo que ha encontrado una pasión por la construcción de instrumentos experimentales en el laboratorio de Sayres, y le encanta estudiar materiales relevantes para las ciencias planetarias y terrestres.

Ryan Shaffer, quien era un estudiante de pregrado que trabajaba en el laboratorio de Sayres, es el segundo autor del trabajo actual.

Detección de racimos de óxido de hierro

Los experimentos con grupos cargados eléctricamente han sido comunes porque pueden seleccionarse en masa con fuerzas eléctricas o magnéticas y posteriormente reaccionar individualmente. Los iones de racimo son claramente mucho más reactivos que sus análogos y neutrales de fase condensada debido a su carga neta.

Se ha trabajado mucho menos con los clústeres neutrales que se informan aquí, que son incluso mejores imitaciones de los verdaderos sitios activos de las fases condensadas y su química de superficie. La carga neta afecta significativamente la reactividad del clúster, y la influencia se vuelve más importante a medida que el tamaño del grupo disminuye debido a la localización de la carga.

"El marco de tiempo de las transiciones de electrones después de la excitación es de interés fundamental para la comprensión de la dinámica de las reacciones. Los cúmulos son colecciones de átomos atómicamente precisas, donde la adición o sustracción de un solo átomo puede cambiar drásticamente la reactividad del grupo, "Dijo Sayres." En este trabajo aplicamos espectroscopía de sonda de bomba ultrarrápida para estudiar la velocidad a la que la energía se mueve a través de pequeños grupos de óxido de hierro ".

Los pulsos de láser son extremadamente cortos:una milésima de mil millonésima de segundo.

Sayres concluye que la vida útil del estado excitado se ve fuertemente afectada por cambios atómicamente precisos en la composición del cúmulo. Específicamente, cuanto mayor sea el estado de oxidación del metal, cuanto más rápido se convierte la energía de fotoexcitación en vibraciones. Han descubierto que la vida útil del estado excitado depende en gran medida del tamaño y el estado de oxidación.

Los catalizadores también se utilizan ampliamente para minimizar los subproductos contaminantes dañinos en aplicaciones ambientales. Las velocidades de reacción mejoradas se traducen en mayores volúmenes de producción a temperaturas más bajas con reactores más pequeños y materiales de construcción más simples.

Cuando se usa un catalizador altamente selectivo, Se producen grandes volúmenes de productos deseados prácticamente sin subproductos indeseables. Gasolina, diesel, El aceite para calefacción doméstica y los combustibles de aviación deben la calidad de su rendimiento al procesamiento catalítico utilizado para mejorar el petróleo crudo.

Los productos químicos intermedios en la producción de productos farmacéuticos utilizan catalizadores, al igual que la industria alimentaria en la producción de productos comestibles cotidianos. Los catalizadores están desempeñando un papel clave en el desarrollo de nuevas fuentes de energía y una variedad de enfoques para mitigar el cambio climático y controlar el dióxido de carbono atmosférico.