Des scientifiques du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie et leurs collègues ont découvert un moyen de percer les mystères des réseaux de réaction complexes en utilisant un outil de mesure d'une manière unique.

La catalyse est un processus chimique fondamental utilisé dans de nombreuses industries manufacturières :elle accélère la décomposition ou la combinaison de composés en de nouveaux, pour la production de choses aussi variées que les aliments, médicaments, plastiques, et les carburants. Rendre la catalyse plus précise, efficace et multifonctionnel a le potentiel de réduire le nombre d'étapes dans les processus de fabrication, réduire les déchets ou les sous-produits nocifs, et réduire la consommation d'énergie.

Pour faire ça, Le scientifique associé du laboratoire Ames, Long Qi, a utilisé un outil nouvellement développé, appelé spectroscopie de résonance magnétique nucléaire de rotation à angle magique d'operando (operando MAS-NMR), et l'a appliqué à des réactions catalytiques en temps réel sous haute pression. De cette façon, Qi a été en mesure de cartographier l'activité complexe qui se déroule lorsqu'un catalyseur transforme et réarrange les molécules.

"Ce n'est pas seulement une, deux ou trois molécules. Dans cette expérience, nous avons identifié six espèces intermédiaires, deux produits principaux, et 10 étapes de transformation, et ce niveau de complexité est une caractéristique de ces réseaux ", a déclaré Qi. " Les informations que nous avons obtenues dans ce travail sont très utiles pour obtenir une productivité plus élevée de ces réseaux de réaction complexes. "

"Le problème avec les investigations traditionnelles de la catalyse, c'est qu'on voit ce qu'on y met au début et on voit ce qu'on en sort à la fin, mais ce qui se passe au milieu est le chaînon manquant, " a déclaré Wenyu Huang, un scientifique de la division des sciences chimiques et biologiques du laboratoire Ames, qui effectue des recherches dans les domaines de la catalyse hétérogène utilisant des composés intermétalliques (IMC), et les charpentes organiques métalliques (MOF). "Dans ce travail, nous démontrons que la compréhension de ces étapes intermédiaires est la clé pour pouvoir ajuster ces processus pour obtenir les produits finaux souhaités."

L'équipe a cartographié un système catalytique qui présente un intérêt car ses produits peuvent être utilisés comme composants clés de produits pharmaceutiques ou dans les technologies de stockage d'hydrogène. Avec les connaissances qu'ils ont acquises par la cartographie operando MAS-RMN, ils ont pu sélectionner la production de tétrahydroquinoléine ou de quinoléine à partir de la réaction en ajoutant un catalyseur supplémentaire pour agir à une étape critique cinétiquement contrôlée, avec de l'eau comme seul sous-produit.

« L'idée que nous puissions changer de produit pour la synthèse à la demande est un nouveau concept, " a déclaré Qi. " L'implication pour la recherche est que nous pouvons éviter de longues expérimentations d'essais et d'erreurs. Pour l'industrie, il a le potentiel de rationaliser la production et de réduire les coûts."

La recherche est discutée plus en détail dans le document, "Déchiffrer un réseau de réaction pour la production commutable de tétrahydroquinoléine ou de quinoléine avec des catalyseurs en tandem Pd soutenus par MOF, " Publié dans Catalyse ACS .