En todo el mundo, la industria química utiliza catalizadores, sustancias que facilitan las reacciones químicas, en aproximadamente el 90% de todos los procesos de fabricación de productos químicos como un medio para optimizar el uso de energía y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. El gran alcance del sector de la catálisis sugiere que cualquier reducción en el consumo de energía para ciertos procesos químicos podría tener impactos económicos y ambientales sustanciales.

Científicos de la Universidad Estatal de Luisiana (LSU) están usando neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) para estudiar los efectos de emplear un campo electromagnético alterno para producir reacciones catalíticas de baja temperatura calentando nanopartículas de óxido de hierro con moléculas de hidrocarburo adheridas a la superficie de la nanopartícula. Los investigadores utilizaron un generador de radiofrecuencia (RF) para estimular las nanopartículas, transfiriendo el calor generado a las moléculas de hidrocarburos individuales y reestructurando sus enlaces químicos para producir productos de valor agregado.

"Queremos reducir significativamente el consumo de energía y aumentar la eficiencia de la reacción catalítica aislando la generación de calor en la ubicación de la molécula". en lugar de calentar reactores enteros a temperaturas extremadamente altas, "dijo James Dorman, profesor del Departamento de Ingeniería Química de LSU. "La reducción de las temperaturas generales del proceso durante la catálisis también reduce la formación de coque y subproductos no deseados, como las emisiones de gases de efecto invernadero ".

El equipo expuso sus muestras a un campo de RF en una cámara de laboratorio, luego los sumergí en nitrógeno líquido para congelar todo en su lugar, y luego observó los resultados usando espectroscopía vibratoria basada en neutrones en la línea de luz VISION ubicada en la Fuente de Neutrones de Espalación de ORNL. La dispersión de neutrones combinada con la espectroscopia vibratoria es un método ideal para estudiar la transferencia de energía a través de interfaces inorgánico-orgánicas.

Los investigadores de LSU están desarrollando actualmente métodos avanzados para sintetizar nanopartículas de óxido de hierro y modificar su forma para controlar los sitios de superficie de una muestra involucrados en la adsorción y reacciones de superficie. Varias morfologías de partículas, incluyendo esferas, cubitos, y hexágonos, pueden producirse para optimizar su uso en diferentes aplicaciones catalíticas.

"Uno de nuestros mayores desafíos es controlar el proceso de síntesis de nanopartículas y optimizar su morfología al mismo tiempo, "dijo Natalia da Silva Moura, estudiante de posgrado en el grupo de Dorman en LSU. "Los datos de neutrones nos permiten ver cómo cada forma interactúa con nuestras moléculas objetivo y luego mejorar el diseño para maximizar la eficiencia del calentamiento y las reacciones localizadas".

Parte del experimento incluye pulsar el campo de RF para limitar la reacción y evitar la formación de coque en la superficie. De particular interés es la cantidad de transferencia de energía causada durante el calentamiento en función de la frecuencia y la fuerza del campo magnético. Una vez que se entiende esta relación, los científicos planean desarrollar nuevos catalizadores para impulsar las reacciones por vías alternativas que aumentan la selectividad y el rendimiento sin la necesidad de aplicar altas temperaturas, lo que ayudará a cumplir con el objetivo del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) para aumentar la eficiencia energética en la industria de EE. UU.