Forskere opdager nye byggesten i katalysatorzeolit ​​-nanoporer

Zeolites krystaller, bruges blandt andet til raffinering af olie til benzin og biomasse til biobrændstoffer, er de mest anvendte katalysatorer på vægten på planeten, og at opdage mekanismer for, hvordan de dannes, har været af intens interesse for den kemiske industri og beslægtede forskere, siger kemiker Scott Auerbach og kolleger ved University of Massachusetts Amherst. De håber, at deres fremskridt på en ny måde at forstå zeolitstruktur og vibrationer fører til nye, skræddersyede zeolitter til brug i sofistikerede nye applikationer.

Deres coverhistorie i et nylig nummer af Journal of the American Chemical Society beskriver, hvordan teamet brugte systematiske analyser og en teknik kaldet Raman -spektroskopi, plus kvantemekanisk modellering, for at opdage nye nanoskala byggesten, de kalder "tricykliske broer, "for at hjælpe med at forklare zeoliternes porøse strukturer og deres dynamiske adfærd.

Auerbach siger, "Dette gennembrud er vigtigt, fordi det giver os en måde at se det usynlige - de præcise strukturer, der fører til zeolitkrystaller. Vi håber, at sådan strukturel indsigt vil hjælpe os med at syntetisere nye, skræddersyede zeolitter til avancerede applikationer inden for ren energi og kulstofopsamling. "Hans medforfattere omfatter kemiingeniør Wei Fan og første forfatter Tongkun Wang ved UMass Amherst, med andre på Worcester Polytechnic Institute.

Forfatterne siger, at ved at erstatte tidligere "alt for simple" tilgange, deres metoder kan "forbedre vores evne til at bruge Raman -spektroskopi som et analytisk værktøj til at undersøge zeolitstruktur og dannelse, ved at bruge begrebet tricykliske broer. "

I dette arbejde støttet af U.S. Department of Energy Division of Materials Science and Engineering, Auerbach og kolleger siger, at afsløring af zeolit-syntese kompliceres af, at forstadiestrukturer er mellemstore, så de falder ind i en "blind vinkel" i nano-skala-for store til atom-niveau og funktionelle gruppestrukturanalyser og for uordnede til røntgenanalyser. Derimod, Raman-spektroskopi "er fremstået som et kraftfuldt værktøj til sondering af mellemdistancestrukturer i forskellige materialer, "bemærker de.

Fan forklarer, at indtil nu har eksperimentelle undersøgelser af syntesen af ​​zeolitter med nye strukturer og sammensætninger var baseret på forsøg og fejl-metoder, og karakterisering af processen udgjorde en "pirrende udfordring". Deres bidrag baseret på tricykliske broer giver et nyt værktøj til at forstå krystalliseringsvejen, åbne døren for at designe materialer til avancerede anvendelser inden for katalyse og separationer, de oplyser.

Yderligere, de påpeger, at "det antages ofte med få beviser for, at ramanbånd kan tildeles individuelle zeolitringe." De testede denne antagelse og fandt ud af, at tricykliske broer - samlinger af tre zeolitringe forbundet - spiller en afgørende rolle i zeolitdannelsen. Ved hjælp af dette, de opdagede et præcist forhold mellem zeolitbindingsvinkel og Raman -frekvens, der kan bruges til at lokalisere strukturer, der dannes under zeolitkrystallisering.

I det fremtidige arbejde, Auerbach, Fan og deres team planlægger at måle og modellere Raman -spektre under zeolitkrystalliseringsprocessen, at bestemme hvilke tricykliske broer der er til stede og vil blive arvet af de resulterende zeolitter.