Primeiro vídeo em nível atômico de reação catalítica revela caminhos ocultos

Uma equipe internacional de cientistas, liderada pela Universidade do Noroeste, observou, pela primeira vez, a ação de catálise diretamente no nível atômico.

Em fascinar novos vídeos, átomos únicos Mova -se e agite durante uma reação química que take away os átomos de hidrogênio de uma molécula de álcool. Ao visualizar o processo em tempo actual, os pesquisadores descobriram várias moléculas intermediárias de curta duração envolvidas na reação, bem como uma by way of de reação anteriormente oculta.

As observações foram possíveis pela microscopia eletrônica resolvida no tempo de resolução atômica de molécula única (SMART-EM), um instrumento poderoso que permite aos pesquisadores assistir moléculas individuais reagirem em tempo actual.

Observar reações dessa maneira ajuda os cientistas a entender como os catalisadores funcionam. Essas novas idéias podem levar a projetos para processos químicos mais eficientes e sustentáveis.

O estudo, “Imagem de resolução atômica como uma ferramenta mecanicista para estudar um único native Catálise heterogênea,” é publicado no diário Chem.

“Ao visualizar esse processo e seguir os mecanismos de reação, podemos entender exatamente o que está acontecendo nos melhores detalhes”, disse Yosi Kratish, do Northwestern, o primeiro e co-correspondente do estudo.

“No passado, não conseguimos ver como os átomos se movem. Agora podemos. Quando percebi o que realizamos, tive que fechar meu laptop computer e fazer uma pausa por algumas horas. Ninguém fez isso antes na catálise, então fiquei surpreso”.

“Os catalisadores tornam a vida moderna possível”, disse Tobin J. Marks, da Northwestern, o autor sênior do estudo. “Eles são usados ​​para fazer de tudo, desde combustível e fertilizantes a plásticos e medicamentos. processos químicos Mais eficiente e ecológico, precisamos entender exatamente como os catalisadores funcionam no nível atômico. Nosso estudo é um grande passo para conseguir isso “.

Especialista em catálise, Marks é a professora de Química de Charles E. e Emma H. ​​Morrison e Vladimir N. Professora de Química Catalítica na Faculdade de Artes e Ciências da Northwestern na McCormick College of Engineering da Northwestern McCormick.

Kratish é professor assistente de pesquisa de química no grupo de Marks. Marks e Kratish co-lideraram o estudo com Michael Bedzyk, professor de ciência e engenharia de materiais em McCormick, e George C. Schatz, Charles E. e Emma H. ​​Morrison Professor de Química em Weinberg, bem como o professor de Tóquio de Tóquio, Eiichi Nakamura, que inventou o Good-EM, e assistente de Takayki, noiichi Nakamura, que é o professor de assistente de Tokyo, no Good.

Captura de moléculas fugazes com ‘química cinematográfica’

Os pesquisadores há muito procuram observar eventos catalíticos ao vivo no nível atômico. As reações químicas são como uma jornada entre os materiais de partida e o produto remaining. Ao longo da jornada, as coléculas transitórias – e às vezes inesperadas – se formam e depois se transformam abruptamente em outras moléculas. Como essas chamadas moléculas “intermediárias” são imprevisíveis e fugazes, são difíceis de detectar.

Ao assistir diretamente a reação, no entanto, os cientistas podem determinar a sequência exata dos eventos para revelar a by way of completa da reação – e ver esses intermediários ilusórios. Mas, até recentemente, period impossível observar essas dinâmicas secretas.

Enquanto os microscópios eletrônicos tradicionais podem imaginar átomos, seus feixes são fortes demais para imaginar o delicate, matéria orgânica usado na catálise. Os elétrons de alta energia quebram facilmente as estruturas baseadas em carbono, destruindo-as antes que os cientistas possam coletar os dados.

“A maioria das técnicas convencionais de microscopia eletrônica de transmissão opera em condições que danificam facilmente moléculas orgânicas”, disse Kratish. “Isso torna extremamente desafiador observar diretamente catalisadores sensíveis ou matéria orgânica durante uma reação usando métodos tradicionais de TEM”.

Para superar esse desafio, a equipe se voltou para o Good-EM, uma nova técnica que pode capturar imagens de moléculas orgânicas delicadas. Revestido por Nakamura e sua equipe em 2018, o Good-EM usa uma dose de elétrons muito mais baixa, minimizando a quantidade de energia-e danos-transferida para a amostra. Ao capturar sequências rápidas de imagens, o Good-EM gera vídeos de processos dinâmicos, que Nakamura chama de “química cinematográfica”.

“Desde 2007, os físicos conseguem realizar um sonho com mais de 200 anos – a capacidade de ver um átomo particular person”, disse Nakamura em um Declaração de 2019. “Mas não terminou aí. Nosso grupo de pesquisa alcançou além desse sonho de criar vídeos de moléculas ver reações químicas em detalhes sem precedentes. “

De bagunçado a mensurável

Ao aplicar o Good-EM à catálise pela primeira vez, a equipe do noroeste escolheu uma reação química simples: remover átomos de hidrogênio de uma molécula de álcool. Mas primeiro eles precisavam selecionar o catalisador certo. Cerca de 85% dos catalisadores industriais são heterogêneos, o que significa que são materiais sólidos que reagem com líquidos e gases.

Embora os catalisadores heterogêneos sejam estáveis ​​e eficientes, eles também são confusos, com muitos locais de superfície diferentes onde podem ocorrer reações.

“Catalisadores heterogêneos têm muitas vantagens”, disse Kratish. “Mas há uma grande desvantagem: em muitos casos, eles são uma caixa preta. Eles têm um número desconhecido de websites onde as reações podem ocorrer. Portanto, não entendemos completamente onde e como as reações ocorrem. Isso significa que não podemos descobrir exatamente qual parte do catalisador é mais eficaz”.

Para facilitar o estudo do catalisador, a equipe do noroeste projetou um catalisador heterogêneo de um único native com um web site ativo bem definido. O catalisador de um único native compreendeu partículas de óxido de molibdênio ancoradas a um nanotubo de carbono em forma de cone. Então, a equipe usou o Good-EM para investigar como seu catalisador facilitou a conversão de etanol em gás de hidrogênio, uma alternativa limpa aos combustíveis fósseis.

“Ter um único web site é muito mais conveniente”, disse Kratish. “Podemos escolher um bom web site para monitorar e realmente aumentar o zoom”.

Revelando um caminho oculto

Antes do estudo, os cientistas postiam que o álcool foi direto para o catalisador, onde se tornou gás de hidrogênio e aldeído (uma molécula que se forma quando uma molécula de álcool oxida). A partir daí, o aldeído, que é um gás à temperatura ambiente, escapou para o ar. Mas assistir ao processo se desenrolar revelou uma história diferente.

Usando o Good-EM, os pesquisadores descobriram que o aldeído não flutua, mas se apega ao catalisador. Eles também encontraram os aldeídos ligados para formar polímeros de cadeia curta-uma etapa anteriormente desconhecida que parecia dirigir a reação geral. Em outra surpresa, os pesquisadores descobriram que o aldeído também reage com álcool para formar hemiacetal, uma molécula intermediária que é então convertida em outros produtos.

Para confirmar esses achados, a equipe usou várias técnicas de microscopia, análise de raios-X, modelos teóricos e simulações de computador. Todos correspondiam aos dados inteligentes.

“Este é um grande avanço”, disse Kratish. “O Good-EM está mudando a maneira como analisamos a química. Eventualmente, queremos isolar esses intermediários, controlar a quantidade de energia que colocamos no sistema e estudar a cinética de uma transformação catalítica orgânica ao vivo. Isso será fenomenal. Este é apenas o começo”.