Cuando una molécula de agua aterriza en el catalizador común de óxido de titanio, a veces se rompe y forma un par de fragmentos de moléculas conocidos como hidroxilos. Pero los científicos no han podido mostrar con qué frecuencia ocurrió la ruptura. Ahora,Los investigadores han determinado que el agua tiene una probabilidad ligeramente mayor de permanecer en una sola pieza, ya que se une a la superficie del catalizador que a formar los pares de hidroxilo.
El resultado - la ventaja del agua es tan pequeña - puede sorprender a algunos químicos. Pero entender que la pequeña ventaja tiene una gran importancia para una variedad de aplicaciones potenciales en industrias que usan dióxido de titanio. Estas industrias incluyen la producción de combustibles alternativos, energía solary seguridad alimentaria, e incluso ventanas autolimpiantes. También ayudará a los científicos a comprender mejor cómo se comportan los ácidos y ampliar su conocimiento sobre cómo se dividen las moléculas.
"La forma en que se une el agua era la gran pregunta", dijo el químico Zdenek Dohnalek del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía. "Los químicos tenían información mezclada de muchos métodos diferentes, y los teóricos también tenían ideas. Usando una combinación única de instrumentos, finalmente lo hemos resuelto "
El equipo informó el trabajo en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Tierra de misterio
Aunque muchas industrias usan óxido de titanio para acelerar las reacciones químicas, los científicos no han descubierto todos sus secretos. Un misterio clave, los investigadores han debatido durante mucho tiempo, es la forma en que el agua interactúa con el óxido de titanio. La interacción es importante entiene derecho a dividir el agua, pero también influye en el curso de muchas reacciones en general.
En la superficie del óxido de titanio, las moléculas de agua cambian entre estar intactas y dividirse en hidroxilos. Aunque existen muchas formas diferentes de medir la relación de agua intacta a hidroxilos en un momento dado, los científicos no han podido determinarlodécadas
Para explorar el problema, los investigadores de PNNL combinaron diferentes herramientas de una manera nueva. Enviaron haces de agua a varias velocidades sobre óxido de titanio frío que se encontraba bajo un microscopio de muy alta resolución conocido como microscopio de túnel de barrido.
El microscopio les permite visualizar los átomos de titanio y oxígeno del catalizador. Los átomos aparecen como hileras brillantes y oscuras, como un campo de maíz con hileras altas de maíz que se alternan con zanjas, y las moléculas individuales de agua aparecen como puntos brillantes que no se alinean conlas filas
Además de ver las moléculas de agua cuando golpean la superficie, el equipo simuló detalles de los átomos que interactúan con gran detalle en una computadora de alto rendimiento. La combinación de experimentos y simulaciones permitió al equipo resolver el debate de larga data.
Atracción instantánea
Con forma de V, una molécula de agua tiene un átomo de oxígeno graso en el medio unido a dos átomos de hidrógeno más pequeños a cada lado. El óxido de titanio ayuda a romper los enlaces entre los átomos para impulsar una reacción química: los átomos de titanio atrapan las moléculas de agua, mientras que los oxígenos cercanos, también parte de la superficie del catalizador, se extraen y luego capturan uno de los átomos de hidrógeno.
Cuando esto sucede, se forman dos hidroxilos, uno de una superficie de oxígeno que se combina con el hidrógeno y el otro sobrante de la molécula de agua.
Los científicos necesitaban saber con qué frecuencia se formaban los hidroxilos. ¿Las moléculas de agua permanecen en gran medida intactas en la superficie? ¿O se convierten inmediatamente en hidroxilos? ¿Qué tan probable es que el agua permanezca intacta en el óxido de titanio y con qué facilidad los hidroxilos se transforman en agua?- prepara el escenario para otras reacciones químicas.
Para averiguarlo, los químicos tuvieron que desarrollar tecnologías para medir la frecuencia con la que surgieron los hidroxilos en la superficie. Usando recursos desarrollados dentro de EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una Instalación de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en PNNL, dispararon un rayo demoléculas de agua en una superficie de óxido de titanio a baja energía el rayo dispara lentamente y a alta energía moviéndose rápidamente como si fuera una manguera de fuego.
Terminaron con puntos brillantes en la superficie, y cuanto mayor era la energía, más puntos. Pero los puntos no se veían lo suficientemente brillantes como para incluir ambos hidroxilos, como se esperaba, por lo que realizaron experimentos adicionales para determinar cuáles eran los puntos.
Spot on
El equipo disparó agua a la superficie de dióxido de titanio y luego congeló el agua en su lugar. Luego calentaron lentamente todo. Al elevar la temperatura se revelaron los puntos, que creían que eran al menos un hidroxilo, que se transformaron en moléculas de agua. Estosignificaba que cada punto tenía que ser en realidad un par de hidroxilos porque la evidencia mostraba que todas las materias primas necesarias para hacer una molécula de agua estaban allí, y ambos hidroxilos eran necesarios.
Realizaron varios otros experimentos para determinar la temperatura a la que una molécula de agua de desembarco se convierte en pares de hidroxilo y viceversa. De eso aprendieron que el agua es solo un poco más estable que los pares de hidroxilo en la superficie - 10 por ciento más, sivamos por la cantidad de energía que se necesita para interrumpirlos.
Simulando los aterrizajes de agua en una computadora de alto rendimiento, también en EMSL, los investigadores descubrieron que las únicas moléculas de agua que se adhirieron al catalizador fueron las que aterrizaron en una zanja figurativa dentro de un campo de maíz, donde el oxígeno del agua se enfrentaba a un átomo de titanioen la zanja
Si el agua entró con la velocidad adecuada, el agua se reorientó y atracó uno de sus hidrógenos hacia un oxígeno cercano, formando los pares de hidroxilo vistos en los experimentos. De lo contrario, la molécula de agua simplemente rebotó.
"Descubrimos que la electrostática, la misma estática que genera chispas cuando frotas los pies sobre la alfombra, ayudó a dirigir las moléculas de agua hacia la superficie", dijo el químico y coautor teórico Roger Rousseau.
Todos estos detalles ayudarán a los investigadores a comprender mejor la catálisis y mejorar nuestra comprensión de las reacciones químicas. Además, los resultados revelan un valor que los científicos han intentado determinar desde hace tiempo: cuán fácil o difícil es que el agua pierda hidrógenoen óxido de titanio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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