Los científicos han utilizado la dispersión de neutrones para identificar el secreto de la capacidad de un marco metal-orgánico (MOF) para convertir sustancias químicas de manera eficiente. a través de un proceso llamado catálisis, en nuevas sustancias. Al sondear un material conocido como MOF-808-SO4, el equipo descubrió un comportamiento molecular que hace que el catalizador se vuelva menos ácido, lo que podría ralentizar el proceso catalítico vital en la fabricación de productos como plásticos, fragancias productos cosméticos, retardantes de llama y disolventes.

Sus hallazgos, detallado en Nature Chemistry, se espera que ayuden a impulsar el desarrollo de nuevos catalizadores MOF que la industria puede utilizar para mejorar el proceso de transformación de sustancias como el petróleo en productos químicos C8, productos químicos con ocho átomos de carbono.

Para estudiar el comportamiento molecular del MOF, científicos de la Universidad de California-Berkeley, Stanford, El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía y el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE realizaron experimentos con el instrumento POWGEN en la Fuente de Neutrones de Espalación ubicada en ORNL. Descubrieron qué hace que MOF-808-SO4 sea un catalizador eficiente y por qué, bajo ciertas condiciones, pierde su eficacia con el tiempo.

"Desarrollamos un nuevo MOF que es un muy buen catalizador para la producción de químicos C8, pero no habíamos identificado el sitio activo en el material responsable de su excelente rendimiento catalítico, "dijo Omar Yaghi de UC Berkeley.

Los MOF como MOF-808-SO4 tienen un alto potencial para futuras aplicaciones de catálisis debido a su enorme área de superficie y versatilidad en los motivos químicos. Todavía no se utilizan ampliamente en la producción química porque actualmente son más caras de producir que las zeolitas más utilizadas. que son materiales con estructuras porosas a base de sílice (uno de los principales ingredientes de la arena).

"Descubrimos que un sitio ácido de Brønsted, en una configuración muy específica, es el principal responsable de la actividad catalítica del MOF, y que el MOF se vuelve menos eficiente con el tiempo cuando el proceso catalítico provoca el agotamiento del agua en ese sitio, "Dijo Yaghi.

Los ácidos de Brønsted son compuestos químicos que "quieren" donar iones de hidrógeno cargados positivamente a otras estructuras moleculares de base que quieren agarrar los protones. Esto ocurre porque tienen electrones extra, dándoles una carga negativa que atrae fuertemente a los protones.

El ácido de Brønsted más fuerte en MOF-808-SO4 consiste en una disposición específica de agua adsorbida y sulfato en grupos de óxido de circonio. Cuando una molécula de agua se adsorbe en un átomo de circonio, participa en un enlace de hidrógeno. Este motivo, Sucesivamente, da como resultado la presencia de un protón fuertemente ácido. Tras la deshidratación, el material pierde su acidez.

Comprender cómo y dónde se une el agua al MOF es crucial porque cuando el MOF está bien hidratado, presenta un excelente rendimiento catalítico.

Los neutrones son especialmente sensibles a elementos más ligeros como el hidrógeno y el oxígeno, lo que los hace perfectamente adecuados para localizar el agua y los sitios ácidos. Los científicos aprovecharon estas propiedades utilizando difracción de polvo de neutrones en POWGEN.

"Intentamos completar el proyecto de investigación con difracción de rayos X, pero no pudimos ubicar de manera concluyente el hidrógeno y el agua en la estructura, en parte porque no pudimos cultivar un solo cristal de MOF que fuera lo suficientemente grande, ", dijo Chris Trickett de UC Berkeley." Las características únicas de los neutrones y la experiencia en modelado de ORNL atrajeron nuestra atención, porque hizo posible estudiar el MOF en forma de polvo y en un ambiente inerte para obtener los datos estructurales faltantes que necesitábamos ".

La difracción de neutrones en polvo es ideal para estudiar materiales que los científicos no pueden sintetizar como un solo cristal que es lo suficientemente grande y permanece estable el tiempo suficiente para ser estudiado. Una vez que se completa el experimento, los datos de difracción de polvo de neutrones se procesaron y luego se ingresaron en un modelo creado por el equipo de investigación que les permitió interpretar la información.

"Trabajé muy de cerca con Chris desde la preparación de muestras para las mediciones de difracción de polvo hasta el análisis de datos del estudio de neutrones, "dijo Ashfia Huq de ORNL, un científico de instrumentos para POWGEN. "Gracias a la tecnología moderna, podíamos hablar por Skype entre nosotros para trabajar en los detalles del modelado de los datos que eran fundamentales para descifrar la estructura de este compuesto ".

Científicos de todo el mundo están tratando de comprender los secretos de cómo funcionan estos materiales a escalas atómicas para poder diseñar MOF más eficientes y menos costosos. Después de casi dos décadas de intensa investigación, Los MOF finalmente están encontrando uso en mercados de nicho como el almacenamiento y la liberación de gas novedoso, pero el objetivo es desentrañar sus misterios y encontrar un uso comercial generalizado.

El equipo de investigación espera continuar estudiando este MOF y probar su teoría de que se puede recargar fácilmente introduciendo vapor de agua durante el proceso catalítico.

"Si podemos demostrar una forma fácil y económica de recargar este material, lo convertirá en una alternativa muy atractiva a los catalizadores económicos pero ineficientes que utiliza la industria química en la actualidad, ", dijo Trickett." Nuestro trabajo podría identificar nuevas formas de producir este MOF de forma más económica o para aumentar aún más su eficacia ".