Открытие, изданное в Журнале американского Химического Общества, может проложить путь к дизайну более эффективных катализаторов для отборных гидрогенизационных реакций. Отборное гидрирование – ключ к производству ценных химикатов, например, поворачивая трижды соединенные углеводороды, названные алкинами выборочно в дважды соединенные алкены – стартовые материалы для синтеза пластмасс, топлива и других коммерческих продуктов.«Понимая, как молекулярный водород взаимодействует с окисью церия [окись церия, CeO2], однако, является сложной задачей, поскольку никакая регулярная техника не может ‘видеть’ свет H атом. Мы обратились к неэластичной нейтронной спектроскопии, техника, которая очень чувствительна к водороду», сказал химик ORNL Зили Ву.
В Spallation Neutron Source (SNS) ORNL, Офисе САМКИ Научного Пользовательского Средства, нейтронная линия луча под названием ВИДЕНИЕ исследовала вибрационные сигналы атомных взаимодействий и произвела спектры, описывающие их. «Поскольку нейтронная спектроскопия могла ‘видеть’ водород из-за его большого поперечного сечения рассеивания нейтрона, это имело успех, где оптические методы спектроскопии подвели и позволили первые непосредственные наблюдения гидридов церия и на поверхности и в большой части катализатора окиси церия», сказал Ву.В двигателях транспортного средства кислород необходим для топлива углеводорода, чтобы гореть. Выхлоп, который произведен, содержит смертельный угарный газ и несожженные углеводороды. В каталитическом конвертере окись церия катализатора захватывает кислород от воздуха и добавляет его к угарному газу и углеводородам, чтобы превратить их в углекислый газ, который несмертелен.
Открытие, что окись церия может захватить водород, а также кислород, обещает для усилий спроектировать его, чтобы катализировать обе реакции, которые вызывают электронную выгоду («сокращение» реагента) и электронная потеря («окисление»).Два механизма были предложены, чтобы объяснить взаимодействие между молекулярной окисью водорода и церия. Каждый предлагает, чтобы оба водородных атома связались только с атомами кислорода, чтобы произвести тот же самый продукт (две гидроксильных разновидности, или О химические группы) на поверхности. В другом устанавливаемом механизме один водородный атом связывается с атомом кислорода, чтобы сделать, О, и другие водородные партнеры атома атома церия, чтобы сделать гидрид церия (CeH).
Бывший механизм называют «гомолитическим», и последнего называют «гетеролитическим».«Гетеролитическая реакция не была замечена прежде на окиси церия», сказал Ву. «Теория предсказала гетеролитическую реакцию, но не было никакого экспериментального доказательства».В Центре Материаловедения Нанофазы (CNMS), Офисе САМКИ Научного Пользовательского Средства на ORNL, исследователи сделали наноразмерные прозрачные пруты окиси церия с четко определенной поверхностной структурой, чтобы облегчить понимание каталитических реакций, которые будут трудными с коммерческим, обычно сферические частицы окиси церия.
Наноразмерные пруты позволили им дифференцировать водород в большой части от водорода на поверхности, где катализ, как предполагали, произошел. Первое наблюдение за гидридами и на поверхности и в большой части окиси церия было важно, потому что это установило, что большая часть материала также может участвовать в химических реакциях.
Также в CNMS, Ву и Го Шиоу Фу выполнили эксперименты на месте, использующие инфракрасный и спектроскопии Рамана, которые рассеивают фотоны, чтобы создать спектры, которые дают «отпечатки пальцев» атомных колебаний. К сожалению, эти оптические методы «видят» только вибрирующие кислородные водородные связи (от протяжения между кислородом и водородными связями); они слепые к разновидностям гидрида на окиси церия.
Чтобы видеть водородные взаимодействия непосредственно, исследователи должны были использовать SNS, где Юнцян Чэн, Люк Дэемен и Анибал Рамирес-Куеста выполнили неэластичное нейтронное рассеивание. Между тем Франклин Тао, Луань Нгуен и Сяоян Чжан из Университета Канзаса использовали фотоэлектронную спектроскопию рентгена окружающего давления, чтобы характеризовать степень окисления окиси церия, которая была очень важна для получения механизма. Кроме того, Ченг, которому помогает Ариана Бест из Университета Теннесси, создал основанные на теории моделирования вибрационных спектров нейтронов и сравнил их с экспериментальными наблюдениями.
Эта работа в команде была важна для обеспечения более глубокого понимания взаимодействия между молекулярным водородом и церием основанные на окиси катализаторы.Текущий нейтрон изучает используемое ВИДЕНИЕ, чтобы исследовать природу разновидностей гидрида в катализаторе.
Дальнейшие исследования будут также использовать другую линию луча, КОЧЕВНИКА, чтобы характеризовать точную структуру обоих поверхность и оптовый гидрид в катализаторе, чтобы показать, например, если кислородные вакансии сформируют каналы в большой части, чтобы ввести водород и поощрить дальнейшее формирование гидрида. Что более важно, исследователи используют в своих интересах способность КОЧЕВНИКА измерить образцы дифракции при температурах, при которых происходят химические реакции.
Добавляя углеводороды, они исследуют и покажут каталитическую роль поверхностного гидрида против оптового гидрида в гидрогенизационных реакциях.Понимание, которое они строят, облегчит дизайн более эффективных основанных на церии катализаторов для разнообразных заявлений.