À l'échelle mondiale, l'industrie chimique utilise des catalyseurs, des substances qui facilitent les réactions chimiques, dans environ 90 % de tous les procédés de fabrication de produits chimiques afin d'optimiser la consommation d'énergie et de réduire les émissions de gaz à effet de serre. L'étendue même du secteur de la catalyse suggère que toute réduction de la consommation d'énergie pour certains procédés chimiques pourrait avoir des impacts économiques et environnementaux substantiels.

Des scientifiques de la Louisiana State University (LSU) utilisent des neutrons au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) pour étudier les effets de l'utilisation d'un champ électromagnétique alternatif pour produire des réactions catalytiques à basse température en chauffant des nanoparticules d'oxyde de fer avec des molécules d'hydrocarbure attachées à la surface des nanoparticules. Les chercheurs ont utilisé un générateur de radiofréquence (RF) pour stimuler les nanoparticules, transférer la chaleur générée aux molécules d'hydrocarbures individuelles et restructurer leurs liaisons chimiques pour produire des produits à valeur ajoutée.

"Nous voulons réduire considérablement la consommation d'énergie et augmenter l'efficacité des réactions catalytiques en isolant la génération de chaleur à l'emplacement de la molécule, au lieu de chauffer des réacteurs entiers à des températures extrêmement élevées, " dit James Dorman, professeur au département de génie chimique de LSU. « L'abaissement des températures globales du processus pendant la catalyse réduit également la formation de coke et de sous-produits indésirables, comme les émissions de gaz à effet de serre.

L'équipe a exposé ses échantillons à un champ RF dans une chambre de laboratoire, les plonge ensuite dans de l'azote liquide pour congeler le tout en place, puis observé les résultats en utilisant la spectroscopie vibrationnelle à base de neutrons sur la ligne de lumière VISION située à la source de neutrons de spallation de l'ORNL. La diffusion des neutrons combinée à la spectroscopie vibrationnelle est une méthode idéale pour étudier le transfert d'énergie à travers les interfaces inorganiques-organiques.

Les chercheurs de LSU développent actuellement des méthodes avancées de synthèse de nanoparticules d'oxyde de fer et de modification de leur forme pour contrôler les sites de surface d'un échantillon impliqués dans l'adsorption et les réactions de surface. Différentes morphologies de particules, y compris les sphères, cubes, et hexagones, peuvent être produits pour optimiser leur utilisation dans différentes applications catalytiques.

« L'un de nos plus grands défis est de maîtriser le processus de synthèse des nanoparticules et d'optimiser leur morphologie en même temps, " a déclaré Natalia da Silva Moura, un étudiant diplômé du groupe de Dorman à LSU. "Les données neutroniques nous permettent de voir comment chaque forme interagit avec nos molécules cibles, puis d'améliorer la conception pour maximiser l'efficacité du chauffage et des réactions localisées."

Une partie de l'expérience consiste à pulser le champ RF pour limiter la réaction et empêcher la formation de coke à la surface. La quantité d'énergie transférée pendant le chauffage est particulièrement intéressante en fonction de la fréquence et de l'intensité du champ magnétique. Une fois cette relation comprise, les scientifiques prévoient de développer de nouveaux catalyseurs pour conduire les réactions vers des voies alternatives qui augmentent la sélectivité et le rendement sans avoir besoin d'appliquer des températures élevées, ce qui aidera à atteindre un objectif du département américain de l'Énergie (DOE) pour une efficacité énergétique accrue dans l'industrie américaine.