No mundo todo, a indústria química usa catalisadores - substâncias que facilitam as reações químicas - em cerca de 90% de todos os processos de fabricação de produtos químicos como meio de otimizar o uso de energia e reduzir as emissões de gases de efeito estufa. O escopo do setor de catálise sugere que quaisquer reduções no consumo de energia para certos processos químicos podem ter impactos econômicos e ambientais substanciais.

Cientistas da Louisiana State University (LSU) estão usando nêutrons no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) para estudar os efeitos do emprego de um campo eletromagnético alternado para produzir reações catalíticas de baixa temperatura por aquecimento de nanopartículas de óxido de ferro com moléculas de hidrocarboneto ligadas à superfície das nanopartículas. Os pesquisadores usaram um gerador de radiofrequência (RF) para estimular as nanopartículas, transferir o calor gerado para as moléculas de hidrocarbonetos individuais e reestruturar suas ligações químicas para produzir produtos de valor agregado.

"Queremos reduzir significativamente o consumo de energia e aumentar a eficiência da reação catalítica, isolando a geração de calor até a localização da molécula, em vez de aquecer reatores inteiros a temperaturas extremamente altas, "disse James Dorman, professor do Departamento de Engenharia Química da LSU. "A redução das temperaturas gerais do processo durante a catálise também reduz a formação de coque e subprodutos indesejados, como as emissões de gases de efeito estufa. "

A equipe expôs suas amostras a um campo de RF em uma câmara de laboratório, depois os imergiu em nitrogênio líquido para congelar tudo no lugar, e então observou os resultados usando espectroscopia vibracional baseada em nêutrons na linha de luz VISION localizada na Fonte de Nêutrons de Espalação do ORNL. O espalhamento de nêutrons combinado com espectroscopia vibracional é um método ideal para estudar a transferência de energia através de interfaces inorgânico-orgânicas.

Os pesquisadores da LSU estão atualmente desenvolvendo métodos avançados de sintetizar nanopartículas de óxido de ferro e modificar sua forma para controlar os locais de superfície de uma amostra envolvidos na adsorção e nas reações de superfície. Várias morfologias de partículas, incluindo esferas, cubos, e hexágonos, podem ser produzidos para otimizar seu uso em diferentes aplicações catalíticas.

“Um dos nossos maiores desafios é controlar o processo de síntese de nanopartículas e otimizar sua morfologia ao mesmo tempo, “disse Natalia da Silva Moura, um estudante de graduação no grupo de Dorman na LSU. "Os dados de nêutrons nos permitem ver como cada forma interage com nossas moléculas-alvo e, em seguida, melhorar o design para maximizar a eficiência do aquecimento localizado e das reações."

Parte do experimento inclui pulsar o campo de RF para limitar a reação e evitar a formação de coque na superfície. De particular interesse é a quantidade de transferência de energia causada durante o aquecimento em função da frequência e intensidade do campo magnético. Uma vez que esta relação seja compreendida, os cientistas planejam desenvolver novos catalisadores para conduzir as reações por caminhos alternativos que aumentam a seletividade e o rendimento sem a necessidade de aplicar altas temperaturas, que ajudará a cumprir a meta do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) de maior eficiência energética na indústria dos Estados Unidos.