Bryde molekylære trafikpropper med finnede nanoporøse materialer

Tusindvis af kemiske processer, der bruges af energiindustrien og til andre anvendelser, er afhængige af den høje hastighed af katalytiske reaktioner, men molekyler hindres ofte af molekylære trafikpropper, der bremser dem. Nu er en helt ny klasse af porøse katalysatorer opfundet, ved hjælp af unikke finner til at fremskynde kemien ved at tillade molekyler at springe de linjer over, der begrænser reaktionen.

Denne opdagelse blev offentliggjort i Naturmaterialer , det førende tidsskrift for materialevidenskab.

Gennembruddet fokuserede på at reducere barrierer for molekyler, der får adgang til katalysatorers indre porer, kaldet zeolitter - aluminosilicater med porer mindre end et nanometer. Zeolitter bruges i vid udstrækning i kommercielle processer som faste katalysatorer til produktion af benzin og værditilvækstkemikalier og andre produkter.

I disse applikationer, kemi i zeolitporerne kræver først, at molekyler finder det lille antal åbninger på ydersiden af ​​katalysatorpartikler. Dette skaber en kø af molekyler, der skal "vente i kø" for at komme ind i partiklen, diffus til det aktive sted, der er involveret i den kemiske reaktion, og afslut derefter partiklen.

En tilgang til at løse disse transportproblemer har været at syntetisere små nanopartikler. Når zeolitter bliver mindre, mængden af ​​overfladeareal, der udsætter porerne, stiger pr. mængde katalysatormateriale, hvilket giver øget adgang for molekyler, der kommer ind i porerne. Mindre partikler reducerer også den interne afstand, molekyler skal rejse gennem partiklen.

Imidlertid, syntesen af ​​disse mindre zeolitpartikler er dyr, og de resulterende partikler er ofte for ineffektive til praktiske anvendelser.

Forskere ved University of Houston, ledet af Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler Professor i kemisk og biomolekylær teknik, udviklet en måde at få større katalysatorpartikler til at opføre sig som nanopartikler - det vil sige at tillade molekyler at komme ind, udløse en reaktion og afslut hurtigt, ved voksende fremspring, eller finner, på overflader af katalysatorpartikler. Ved at tilføje nanoskala finner, der stikker ud fra den ydre overflade af store partikler, partikelets grovede ydre steg betydeligt i overfladeareal, at give molekyler øget adgang og reducere de transportbegrænsninger, der ofte plager konventionelle zeolitmaterialer.

"Vores nye syntesetilgang udnytter det arbejde, vi har udført i vores gruppe i mange år, fokuseret på at kontrollere zeolitkrystallisation på måder, der muliggør vækst af finner, "Rimer sagde." Denne nye klasse af materialer omgår behovet for direkte at syntetisere nanopartikler, skabe et nyt paradigme inden for zeolit ​​-katalysatordesign. "

Rimer arbejdede med et team af internationale eksperter inden for materialesyntese, karakterisering og modellering for at demonstrere finnel zeolites evne til at forbedre ydeevnen for denne unikke familie af faste katalysatorer. Ved at sammenligne finnede zeolitter med konventionelle katalytiske materialer, de viste, at zeolitter med finner varede næsten otte gange længere. Rimer sagde, at inkorporering af finner fører til kortere interne diffusionsveje og sikrer, at molekyler effektivt når reaktionsstederne, samtidig med at det reducerer tilbøjeligheden af ​​carbonbaserede arter til at blive immobiliseret. Denne opbygning deaktiverer i sidste ende katalysatoren.

Xiaodong Zou, professor i uorganisk og strukturel kemi ved Stockholms universitet, og medlemmer af hendes laboratorium gennemførte avanceret 3-D elektronmikroskopikarakterisering for at opklare porekonstruktionerne af finnekrystallerne og bekræftede, at finnerne var forlængelser af den underliggende krystal og ikke skabte hindringer for intern diffusion.

"Det er fantastisk at se, hvor godt alle disse hundredvis af individuelle nanofiner er tilpasset moderkrystallet, "Sagde Zou.

Yderligere state-of-the-art teknikker til karakterisering af zeolitkatalysatorer i realtid blev udført på Utrecht University af forskningsgruppen Bert Weckhuysen, professor i katalyse, energi og bæredygtighed. Disse målinger bekræftede finnel -zeolitters enestående evne til at forlænge katalysatoraktivitet langt ud over den for større katalysatorer.

Weckhuysen sagde, at brugen af ​​operandospektroskopi tydeligt viste, hvordan indførelsen af ​​finner reducerede mængden af ​​eksterne koksaflejringer under katalyse. "Det øgede levetiden for finnede zeolitkrystaller betydeligt, " han sagde.

Jeremy Palmer, adjunkt i kemisk og biomolekylær teknik ved UH, brugte beregningsmetoder til at modellere finnede materialer og forklare, hvordan det nye design fungerer for at forbedre katalyse.

Forskere havde forventet, at finnerne ville klare sig bedre end en zeolitkatalysator i standardstørrelse, han sagde. "Men vi fandt ud af, at det ikke kun var en forbedring på 10% eller 20%. Det var en tredobling af effektiviteten. Forbedringens størrelse var en reel overraskelse for os."

Yderligere arbejde ved University of Minnesota af forskergruppen Paul Dauenhauer, professor i kemiteknik og materialevidenskab, og af Michael Tsapatsis, professor i kemisk og biomolekylær teknik ved Johns Hopkins University, bekræftede de forbedrede massetransportegenskaber af finnede zeolitter. Ved hjælp af en ny metode til at spore molekylets diffusion af infrarødt lys, UM -forskerne demonstrerede, at finnerne forbedrede molekyltransport mellem 100 og 1, 000 gange hurtigere end konventionelle partikler.

"Tilsætning af finner gør det muligt for molekyler at komme ind i zeoliternes kanaler, hvor kemien sker, men det lader også molekyler hurtigt komme ud af partiklen, som lader dem fungere i en meget længere periode, "Sagde Dauenhauer.

Opdagelsen har umiddelbar relevans for industrien for en lang række applikationer, herunder produktion af brændstoffer, kemikalier til plast og polymerer, og reaktioner, der danner molekyler til mad, medicin og produkter til personlig pleje.

"Det smukke ved denne nye opdagelse er dens potentielle generalisering til en bred vifte af zeolitmaterialer, ved hjælp af teknikker, der er lette at indarbejde i eksisterende synteseprocesser, "Rimer sagde." Evnen til at kontrollere finnernes egenskaber kunne muliggøre en langt større fleksibilitet i det rationelle design af zeolitkatalysatorer. "