Scott Sayres de l'Arizona State University et son équipe ont récemment publié une étude laser ultrarapide sur des amas d'oxyde de fer non chargés, ce qui pourrait conduire à terme au développement de nouveaux catalyseurs industriels moins coûteux. Cela pourrait également contribuer à une meilleure compréhension de l'univers puisque des oxydes de fer sont observés dans les spectres d'émission des étoiles.

Sayres est professeur adjoint à l'École des sciences moléculaires de l'ASU et membre du corps professoral du Centre de découverte structurelle appliquée du Biodesign Institute.

La plupart des industries chimiques utilisent des catalyseurs pour améliorer la vitesse de réaction et la sélectivité dans l'obtention des produits souhaités. Par exemple, les pots catalytiques dans les pots d'échappement de nos véhicules utilisent couramment du platine, palladium et rhodium pour aider à décomposer les polluants.

Ces trois métaux sont nettement plus chers que l'or, ce qui est à son tour beaucoup plus coûteux que le fer. En moyenne, un convertisseur catalytique coûte 1 $, 000 mais peut aller jusqu'à 3 $, 000 par véhicule.

"Les oxydes de métaux de transition sont largement utilisés comme catalyseurs hétérogènes dans l'industrie chimique, " Sayres a dit. " Le processus photocatalytique procède par une série de réactions complexes, et une compréhension fondamentale de ces mécanismes catalytiques fait encore défaut. Les études en phase gazeuse sur des clusters à l'échelle moléculaire nous permettent de sonder les activités et mécanismes chimiques dans un environnement non perturbé. La précision atomique des clusters peut être utilisée pour identifier les sites d'adsorption préférés, des géométries ou des sites d'oxydation qui permettent des transformations chimiques."

Les amas de FenOm étudiés ici ont des compositions différentes :n et m varient mais sont inférieurs à 16. Fe est le symbole chimique du fer et O fait référence à l'oxygène.

"Cette recherche a non seulement révélé les fragments stables des matériaux d'oxyde de fer en vrac, mais a montré comment le changement de composition atomique peut affecter la stabilité et la réactivité de ces fragments, " a déclaré Jake Garcia, étudiant diplômé et premier auteur de cet article.

"En résolvant la dynamique de l'état excité de matériaux atomiquement précis tels que les oxydes de fer, nous faisons un pas de plus vers la création de catalyseurs moléculaires plus dirigés et la compréhension des réactions qui peuvent avoir lieu dans les milieux interstellaires."

Garcia continue qu'il a trouvé une passion pour la construction d'instruments expérimentaux dans le laboratoire de Sayres, et aime étudier les matériaux pertinents pour les sciences planétaires et terrestres.

Ryan Shaffer, qui était un étudiant de premier cycle travaillant dans le laboratoire de Sayres, est le deuxième auteur de l'ouvrage actuel.

Détection des amas d'oxyde de fer

Les expériences avec des grappes chargées électriquement ont été courantes car elles peuvent être sélectionnées en masse avec des forces électriques ou magnétiques et ensuite réagir individuellement. Les ions cluster sont clairement beaucoup plus réactifs que leurs analogues et neutres en phase condensée en raison de leur charge nette.

Beaucoup moins de travail a été fait avec les clusters neutres rapportés ici, qui imite encore mieux les véritables sites actifs des phases condensées et leur chimie de surface. La charge nette affecte considérablement la réactivité du cluster, et l'influence devient plus importante à mesure que la taille du cluster diminue en raison de la localisation des charges.

"La période de transition des électrons suivant l'excitation est d'un intérêt fondamental pour la compréhension de la dynamique de réaction. Les clusters sont des collections d'atomes atomiquement précises, où l'addition ou la soustraction d'un seul atome peut changer radicalement la réactivité de l'amas, " Sayres a déclaré. "Dans ce travail, nous appliquons la spectroscopie pompe-sonde ultrarapide pour étudier la vitesse à laquelle l'énergie se déplace à travers de petits amas d'oxyde de fer."

Les impulsions laser sont extrêmement courtes :un millième de milliardième de seconde.

Sayres conclut que la durée de vie de l'état excité est fortement affectée par des changements atomiquement précis de la composition de l'amas. Spécifiquement, plus les états d'oxydation du métal sont élevés, plus vite l'énergie de photoexcitation est convertie en vibrations. Ils ont découvert que les durées de vie des états excités dépendent fortement de la taille et de l'état d'oxydation.

Les catalyseurs sont également largement utilisés pour minimiser les sous-produits polluants nocifs dans les applications environnementales. Des taux de réaction améliorés se traduisent par des volumes de production plus élevés à des températures plus basses avec des réacteurs plus petits et des matériaux de construction plus simples.

Lorsqu'un catalyseur hautement sélectif est utilisé, de grands volumes de produits souhaités sont produits avec pratiquement aucun sous-produit indésirable. De l'essence, diesel, Le mazout domestique et les carburants aviation doivent leur qualité de performance au traitement catalytique utilisé pour valoriser le pétrole brut.

Les produits chimiques intermédiaires dans la production de produits pharmaceutiques utilisent des catalyseurs, tout comme l'industrie alimentaire dans la production de produits comestibles de tous les jours. Les catalyseurs jouent un rôle clé dans le développement de nouvelles sources d'énergie et une variété d'approches pour atténuer le changement climatique et contrôler le dioxyde de carbone atmosphérique.