Utilizando helio líquido superfluido como un reactor a nanoescala, los científicos han capturado cúmulos de van der Waals formados por átomos de oro y glicoles. Con la ayuda del espectrómetro de masas y la teoría funcional de la densidad, los químicos pudieron Analiza cómo un solo átomo de oro descompone los glicoles.
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Autor / Zheng Linjie
Para la mayoría de los catalizadores de átomos metálicos, los átomos metálicos se adsorberán en otras superficies sólidas, como los óxidos de aluminio o de silicio. Debido a su relación superficie-volumen relativamente grande o estructura especial modificada, este tipo de catalizador tiene una reactividad excelente. Pero desde la perspectiva de la química cuántica, la superficie de un sólido a menudo cambia las propiedades químicas y electrónicas de los átomos metálicos.Las complejas variables ambientales dificultan que los científicos comprendan realmente qué papel juegan los átomos metálicos simples en la reacción.
En julio de este año, los científicos utilizaron helio líquido superfluido como vehículo y observaron que un solo átomo de oro (un solo átomo de oro) catalizó la reacción de descomposición del diol. Los resultados de la investigación se publicaron en Chemical Science. En esta reacción, el átomo de oro y el glicol solo son atraídos por la gravitación de van der Waals, eliminando la posible influencia de la superficie sólida.
Superfluido se refiere a una forma especial de materia, que tiene las propiedades de no viscosidad, entropía cero y conductividad térmica infinita. El helio-4 se convierte en superfluido en un entorno por debajo de 2,2 K (-271 ° C). Cuando los átomos se disuelven en la fase superfluida del helio-4 líquido, pueden tener el mismo grado de libertad de rotación que en el estado gaseoso. Por lo tanto, la fase superfluida del helio-4 líquido se puede utilizar como disolvente cuántico para estudiar la dinámica de átomos o moléculas en estado gaseoso, sin gasificar realmente la sustancia. Cuando más de un átomo o molécula se disuelve en el superfluido, los átomos o moléculas tienden a formar grupos. Utilizando las propiedades del superfluido, el equipo de investigación pudo analizar el impacto directo de los átomos de metal en las moléculas de la reacción catalítica.
A través del control preciso de la temperatura y el monitoreo del espectrómetro de masas, los químicos pueden controlar con precisión que cada gota de helio líquido contiene solo un átomo de oro en nanogotas. [Nota 1]. Después de la ionización electrónica, las moléculas de 1,6-hexanodiol en las perlas nano-líquidas se romperán en fragmentos catiónicos. Usando espectrometría de masas para analizar la composición de estos fragmentos, encontraron que cuando las perlas nano-líquidas son Cuando contiene átomos de oro, la reacción tiende a producir principalmente productos de carbono e hidrógeno (C2H4 +). Si las perlas líquidas nanométricas solo contienen 1,6-hexanodiol, el producto está dominado por cationes orgánicos (HCO +, CH2OH +) que contienen átomos de oxígeno.
Usando la teoría funcional de la densidad (cálculo DFT, cálculo de la teoría funcional de la densidad), los científicos pueden evaluar los cambios en la energía de enlace intramolecular durante la interacción de los átomos de oro con 1,6-hexanodiol. El equipo de investigación descubrió que cuando el oro y el 1,6-hexanodiol forman un compuesto de racimo cargado positivamente, en comparación con una sola molécula de 1,6-hexanodiol, el enlace carbono-carbono (enlace CC) en el compuesto de racimo La energía de enlace de) se vuelve más fuerte, pero la energía de enlace del enlace carbono-oxígeno (enlace CO) cae mucho. Debido a que el enlace carbono-oxígeno se debilita, se romperá primero en el proceso de disociación. Esto demuestra por qué las muestras que contienen átomos de oro en el espectro de masas son principalmente cationes que contienen solo carbono e hidrógeno.
Para la selectividad de una reacción química, la ruptura de un enlace químico específico puede ser la clave más importante para la selectividad. La existencia de un catalizador a menudo depende de si el átomo de metal puede afectar la energía de enlace del estado de transición y afectar aún más la trayectoria de la reacción. La investigación a nivel molecular puede ayudar a los científicos a comprender los límites de actividad de un átomo de metal, saber qué enlaces químicos puede activar el átomo de metal y ayudar a diseñar diferentes catalizadores y regular sus propiedades.
Fuente original:ChemistyWorld: 13 de agosto de 2020, el nanorreactor de helio superfluido lleva la comprensión de la catálisis de un solo átomo al siguiente nivel
Materiales de referencia:
- Reacciones ion-molécula catalizadas por un solo átomo de oro Sci. 2020, 11, 8502-8505 doi: doi.org/10.1039/D0SC03523H
- Wikipedia: superfluidez
- Wikipedia: solvente cuántico
anotación:
[Nota1]Al calcular la cantidad de átomos de oro en cada gota de perlas líquidas nanométricas, el equipo de investigación utilizó la distribución de Poisson para las estadísticas. La distribución de Passon se refiere a la distribución de probabilidad del número de eventos aleatorios por unidad de tiempo.La formula esPk (z) = zke-z / k!. Con base en esta fórmula, el equipo pudo calcular que durante el proceso de pulverización, aproximadamente el 37% de las perlas de helio líquido no contienen átomos de oro, el 37% contiene un átomo de oro, el 18% contiene dos átomos de oro y el 8% de las perlas de helio líquido. Contiene más de dos átomos de oro.
