Los investigadores de química de la Universidad Estatal de Georgia han descubierto uno de los misterios de las reacciones catalíticas a escala microscópica, permitiendo el diseño de procesos industriales más eficientes.

Los catalizadores, que aceleran las reacciones químicas en todo, desde la digestión de alimentos hasta los motores de combustión en los vehículos, son esenciales para convertir las materias primas en productos útiles en las industrias. incluido el petróleo, plástica, papel, productos farmacéuticos y cerveceros. Comprender cómo ocurren las reacciones puede ayudar a los científicos a diseñar mejores catalizadores que ahorren más energía y sean ambientalmente sostenibles.

Los investigadores establecieron una nueva estrategia de imágenes que puede rastrear moléculas individuales a medida que se mueven a través de pequeños poros en las capas de las esferas de sílice y monitorear la dinámica de la reacción química en los centros catalíticos en el núcleo. produciendo las primeras mediciones cuantitativas de cómo el confinamiento a nanoescala acelera realmente las reacciones catalíticas.

Comprender este sorprendente "efecto de nanoconfinamiento" podría ayudar a guiar el diseño de precisión de catalizadores industriales más eficientes que pueden conservar energía.

"Quieres hacer un producto específico y tienes la opción de diferentes materiales porosos que pueden hacer diferentes cosas. ¿Cuál te dará la mejor tasa de conversión y la mayor velocidad?" dijo Ning Fang, profesor asociado de química en el estado de Georgia, quien publicó los resultados de la investigación en Comunicaciones de la naturaleza . "Ahora tenemos una teoría basada en evidencia experimental que agregamos a las simulaciones para tener una mejor predicción de cuál podría ser el resultado del uso de ciertos catalizadores".

El estudio de las reacciones catalíticas se limitaba anteriormente a modelos teóricos y computacionales. El sistema de imágenes de una sola molécula, diseñado por el asociado de investigación postdoctoral del estado de Georgia Bin Dong y publicado en Catálisis de la naturaleza , permite a los investigadores por primera vez ver y medir las reacciones que ocurren en una pequeña esfera porosa de múltiples capas creada por colaboradores de la Universidad Estatal de Iowa dirigida por el profesor Wenyu Huang y el investigador asociado postdoctoral Yuchen Pei.

Las moléculas reactivas tienen que orientarse en una dirección específica para pasar a través de los nanoporos, aberturas que son aproximadamente 100 veces más pequeñas que el ancho de un mechón de cabello. Los nanoporos son comparables en diámetro al tamaño de la molécula reactiva y cuando su punta alcanza el núcleo activo, inmediatamente desencadena el primer paso de la reacción al entrar en contacto. El producto intermedio generado, sin embargo, queda atrapado por el nanoporo mientras la reacción continúa a través de tres pasos para formar la molécula del producto final.

Contrariamente a la teoría convencional, esta "barrera nanoporosa" acelera la reacción en lugar de ralentizarla, basado en la medición experimental de Fang de la energía de activación. A pesar de que el movimiento molecular está restringido por la presencia de una capa porosa, el proceso es realmente magnificado por el confinamiento, el estudio encontró.

"Instintivamente, uno esperaría una actividad decreciente cuando los centros catalíticos están protegidos de las moléculas reactivas por una capa nanoporosa, "Dijo Fang." Sin embargo, nuestra evidencia experimental cuenta una historia diferente. Y lo que es más sorprendente, las actividades catalíticas se mejoran aún más para los catalizadores con estructuras nanoporosas más largas y estrechas hasta que los beneficios del nanoconfinamiento sean superados por el transporte molecular restringido en la capa nanoporosa ".

Este descubrimiento podría tener importantes implicaciones en la ingeniería de nuevos catalizadores. Por ejemplo, El equivalente a más de 500 millones de barriles de gasolina se utiliza cada año para convertir etano y propano en alquenos que se utilizan para fabricar plásticos. detergentes y otros productos. La aplicación de catalizadores más eficientes a gran escala podría ahorrar mucha energía en el proceso.