Tener la herramienta adecuada para el trabajo permitió a los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y a sus colaboradores descubrir que un catalizador de caballos de batalla de los sistemas de escape de vehículos es una "esponja de oxígeno" que puede absorber oxígeno del aire y almacenarlopara su uso posterior en reacciones de oxidación, también puede ser una "esponja de hidrógeno"
El hallazgo, publicado en el Revista de la American Chemical Society, puede allanar el camino para el diseño de catalizadores más efectivos para las reacciones de hidrogenación selectiva. La hidrogenación selectiva es la clave para producir productos químicos valiosos, por ejemplo, convertir los hidrocarburos de triple enlace llamados alquinos selectivamente en alquenos de doble enlace - materiales de partida para elsíntesis de plásticos, combustibles y otros productos comerciales.
"Comprender cómo interactúa el hidrógeno molecular con ceria [óxido de cerio, CeO2], sin embargo, es un gran desafío, ya que ninguna técnica regular puede 'ver' el átomo de luz H. Pasamos a la espectroscopía de neutrones inelástica, una técnica que es muy sensibleal hidrógeno ", dijo el químico de ORNL, Zili Wu. En la Fuente de neutrones de espalación de ORNL SNS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, una línea de haz de neutrones llamada VISIÓN sondeó las señales vibratorias de interacciones atómicas y los espectros generados que los describen." Porque la espectroscopía de neutrones podría'ver' el hidrógeno debido a su gran sección transversal de dispersión de neutrones, tuvo éxito donde las técnicas de espectroscopía óptica fallaron y permitió las primeras observaciones directas de hidruros de cerio tanto en la superficie como en la mayor parte de un catalizador de óxido de cerio ", dijo Wu."
En los motores de vehículos, se necesita oxígeno para quemar el combustible de hidrocarburos. El escape que se genera contiene monóxido de carbono mortal e hidrocarburos no quemados. En el convertidor catalítico, el óxido de cerio catalítico toma oxígeno del aire y lo agrega al monóxido de carbono e hidrocarburos paraconvertirlos en dióxido de carbono, que no es letal. El hallazgo de que el óxido de cerio puede atrapar el hidrógeno y el oxígeno es prometedor para los esfuerzos de ingeniería para catalizar ambas reacciones que causan ganancia de electrones "reducción" de un reactivo y pérdida de electrones "oxidación".
Se han propuesto dos mecanismos para explicar la interacción entre el hidrógeno molecular y el óxido de cerio. Uno sugiere que ambos átomos de hidrógeno se asocian solo con átomos de oxígeno para producir el mismo producto dos especies de hidroxilo, o grupos químicos OH en la superficie. En el otromecanismo propuesto, un átomo de hidrógeno se asocia con un átomo de oxígeno para formar OH y el otro átomo de hidrógeno se asocia con un átomo de cerio para producir hidruro de cerio CeH. El primer mecanismo se denomina "homolítico" y el segundo se llama "heterolítico".
"La reacción heterolítica no se había visto antes con el óxido de cerio", dijo Wu. "La teoría predijo una reacción heterolítica, pero no hubo pruebas experimentales".
En el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase CNMS, un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL, los investigadores hicieron barras cristalinas de nanoescala de óxido de cerio con una estructura de superficie bien definida para facilitar la comprensión de las reacciones catalíticas que serían difíciles conpartículas comerciales, normalmente esféricas de óxido de cerio. Las varillas a nanoescala les permitieron diferenciar el hidrógeno en masa del hidrógeno en la superficie, donde se suponía que se producía la catálisis. La primera observación de hidruros tanto en la superficie como en la masa de ceria fue importanteporque estableció que la mayor parte del material también puede participar en reacciones químicas.
También en CNMS, Wu y Guo Shiou Foo realizaron experimentos in situ utilizando espectroscopias infrarrojas y Raman, que dispersan fotones para crear espectros que dan "huellas digitales" de vibraciones atómicas. Desafortunadamente, estas técnicas ópticas "ven" solo enlaces de oxígeno-hidrógeno vibrantesdebido al estiramiento entre los enlaces de oxígeno e hidrógeno; son ciegos a las especies de hidruro en ceria. Para ver las interacciones de hidrógeno directamente, los investigadores tuvieron que usar SNS, donde Yongqiang Cheng, Luke Daemen y Anibal Ramírez-Cuesta realizaron dispersión inelástica de neutrones.Franklin Tao, Luan Nguyen y Xiaoyan Zhang, de la Universidad de Kansas, utilizaron espectroscopía de fotoelectrones de rayos X a presión ambiente para caracterizar el estado de oxidación del óxido de cerio, que fue fundamental para derivar el mecanismo. Además, Cheng, con la ayuda de Ariana Beste de la Universidadde Tennessee, creó simulaciones basadas en la teoría de espectros vibracionales de neutrones y los comparó con observaciones experimentales. Este trabajo en equipo fue esenciales fundamental para proporcionar una comprensión más profunda de la interacción entre el hidrógeno molecular y los catalizadores a base de óxido de cerio.
El estudio actual de neutrones usó VISION para explorar la naturaleza de las especies de hidruros en el catalizador. Otros estudios también emplearán otra línea de haz, NOMAD, para caracterizar la estructura exacta de la superficie y el hidruro en masa en el catalizador para revelar, por ejemplo, si las vacantes de oxígeno forman canales en la masa para atraer hidrógeno y estimular la formación de hidruros. Lo que es más importante, los investigadores aprovecharán la capacidad de NOMAD para medir patrones de difracción a temperaturas a las que ocurren reacciones químicas. Al agregar hidrocarburos, explorarány revelar el papel catalítico del hidruro de superficie frente al hidruro en masa en las reacciones de hidrogenación.
La comprensión que generan facilitará el diseño de catalizadores a base de cerio más efectivos para diversas aplicaciones.
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Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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