Os cientistas usaram o espalhamento de nêutrons para identificar o segredo da capacidade de uma estrutura metal-orgânica (MOF) de converter produtos químicos de forma eficiente, através de um processo chamado catálise, em novas substâncias. Sondando um material conhecido como MOF-808-SO4, a equipe descobriu o comportamento molecular que faz com que o catalisador se torne menos ácido, que poderia desacelerar o processo catalítico vital na fabricação de produtos como plásticos, fragrâncias, cosméticos, retardadores de chama e solventes.

Suas descobertas, detalhado na Nature Chemistry, espera-se que ajudem a estimular o desenvolvimento de novos catalisadores MOF que a indústria pode usar para melhorar o processo de transformação de substâncias como o petróleo em produtos químicos C8 - produtos químicos com oito átomos de carbono.

Para estudar o comportamento molecular do MOF, cientistas da University of California – Berkeley, Stanford, o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia e o Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE conduziram experimentos no instrumento POWGEN na Fonte de Nêutrons de Espalação localizada em ORNL. Eles descobriram o que torna o MOF-808-SO4 um catalisador eficiente e por quê, sob certas condições, ele perde sua eficácia com o tempo.

"Desenvolvemos um novo MOF que é um bom catalisador para a produção de produtos químicos C8, mas não tínhamos identificado o sítio ativo no material que era responsável por seu excelente desempenho catalítico, "disse Omar Yaghi da UC Berkeley.

MOFs como o MOF-808-SO4 têm alto potencial para futuras aplicações de catálise por causa de sua enorme área de superfície e versatilidade em motivos químicos. Eles ainda não são amplamente utilizados na produção de produtos químicos porque são atualmente mais caros de produzir do que os zeólitos mais amplamente usados, que são materiais com estruturas porosas à base de sílica (um dos principais ingredientes da areia).

"Descobrimos que um site de ácido Brønsted, em uma configuração muito específica, é o principal responsável pela atividade catalítica do MOF, e que o MOF se torna menos eficiente ao longo do tempo quando o processo catalítico causa o esgotamento da água naquele local, "Yaghi disse.

Os ácidos de Brønsted são compostos químicos que "querem" doar íons de hidrogênio carregados positivamente para outras estruturas moleculares básicas que desejam agarrar os prótons. Isso ocorre porque eles têm elétrons extras, dando-lhes uma carga negativa que atrai fortemente os prótons.

O ácido de Brønsted mais forte em MOF-808-SO4 consiste em um arranjo específico de água adsorvida e sulfato em aglomerados de óxido de zircônio. Quando uma molécula de água se adsorve a um átomo de zircônio, ele participa de uma ligação de hidrogênio. Este motivo, por sua vez, resulta na presença de um próton fortemente ácido. Após a desidratação, o material perde a acidez.

Compreender como e onde a água se liga ao MOF é crucial porque quando o MOF está bem hidratado, exibe excelente desempenho catalítico.

Os nêutrons são especialmente sensíveis a elementos mais leves como hidrogênio e oxigênio, o que os torna perfeitamente adequados para localizar a água e os locais de ácido. Os cientistas aproveitaram essas propriedades usando difração de pó de nêutrons em POWGEN.

“Tentamos concluir o projeto de pesquisa com difração de raios-x, mas não conseguimos localizar de forma conclusiva o hidrogênio e a água na estrutura - em parte porque não conseguimos desenvolver um único cristal de MOF que fosse grande o suficiente, "disse Chris Trickett da UC Berkeley." As características únicas dos nêutrons e a experiência em modelagem do ORNL chamaram nossa atenção, porque tornou possível estudar o MOF na forma de pó e em um ambiente inerte para obter os dados estruturais que faltavam de que precisávamos. "

A difração de pó de nêutrons é ideal para estudar materiais que os cientistas não podem sintetizar como um único cristal que é grande o suficiente e permanece estável por tempo suficiente para ser estudado. Assim que o experimento for concluído, os dados de difração de pó de nêutrons foram processados ​​e depois inseridos em um modelo criado pela equipe de pesquisa que possibilitou a interpretação das informações.

"Trabalhei em estreita colaboração com Chris, desde a preparação de amostras para medições de difração de pó até a análise de dados do estudo de nêutrons, "disse Ashfia Huq do ORNL, um cientista de instrumentos para POWGEN. "Graças à tecnologia moderna, poderíamos usar o Skype uns com os outros para trabalhar os detalhes da modelagem dos dados essenciais para quebrar a estrutura desse composto. "

Cientistas de todo o mundo estão tentando entender os segredos de como esses materiais funcionam em escalas atômicas para que possam projetar MOFs mais eficientes e menos caros. Depois de quase duas décadas de pesquisa intensiva, Os MOFs estão finalmente encontrando uso em nichos de mercado, como armazenamento e liberação de novos gases, mas o objetivo é desvendar seus mistérios e encontrar um uso comercial generalizado.

A equipe de pesquisa espera continuar estudando este MOF e testar sua teoria de que ele pode ser facilmente recarregado pela introdução de vapor de água durante o processo catalítico.

"Se pudermos demonstrar uma maneira fácil e barata de recarregar este material, isso o tornará uma alternativa muito atraente para os catalisadores baratos, mas ineficientes que a indústria química usa hoje, "disse Trickett." Nosso trabalho poderia identificar novas maneiras de produzir este MOF mais barato ou de aumentar ainda mais sua eficácia. "