Små porøse krystaller ændrer vandets form for at fremskynde kemiske reaktioner

Kemiske ingeniører ved University of Illinois Urbana-Champaign forstår nu, hvordan vandmolekyler samles og ændrer form i nogle omgivelser, afsløre en ny strategi til at fremskynde kemiske reaktioner, der er kritiske for industrien og miljømæssig bæredygtighed. Den nye tilgang er klar til at spille en rolle i at hjælpe kemikalieproducenter med at bevæge sig væk fra skadelige opløsningsmiddelkatalysatorer til fordel for vand.

Deres metode udnytter hullerne, tunneler og passager i mikroporøse krystaller i nanoskala kaldet zeolitter. Porerummene i nogle zeolitter er så smalle, at når de er mættede med vand, de kan kun passe enkelt-molekyle-brede kæder inden for deres grænser. Disse enkeltfilskæder af vandmolekyler har andre termokemiske egenskaber end almindeligt eller "bulk" vand, sagde forskerne, hvilket har konsekvenser på tværs af mange videnskabelige discipliner.

Studiet, ledet af kemisk og biomolekylær ingeniørprofessor David Flaherty, er publiceret i tidsskriftet Naturkatalyse .

Zeolitter, som kan opføre sig som små svampe, filtre eller endda katalysatorer, har været brugt i årevis i materialer, der opsuger miljøudslip og renser vand og andre kemikalier. Forskere forstår, at vekselvirkningerne med vand inde i zeolitporer i høj grad påvirker deres stabilitet som katalysatorer, men det har været uklart, hvordan eller hvorfor dette sker.

I laboratoriet, holdet brugte spektroskopiske metoder til at måle systematiske forskelle mellem formen og arrangementet af vandmolekyler i bulkfasen og de vandmolekyler, der er indespærret i en række zeolitter med gradvist mindre porestørrelsesdiametre, inklusive 1.3, 0,7, 0,5 og 0,3 nanometer—5, 000 til 10, 000 gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår.

"Vi så højere hastigheder af kemiske reaktioner nær små klynger af vandmolekyler indespærret i zeolitporerne end i dem uden vand eller i fyldigt vand, " sagde Flaherty. "Korrelationer mellem entropiændringer i vandet forårsaget af reaktionen, reaktionshastighederne og størrelsen af ​​zeolitporerne tyder på, at ændringerne i strukturen af ​​vandklynger og kæder er ansvarlige for forbedringen i katalytiske hastigheder."

"Da de kædelignende vandstrukturer skulle omorganiseres for at rumme de reagerende molekyler, det førte til uventede – og dramatiske – stigninger i raterne, " sagde hovedforfatter og tidligere Illinois-kandidatstuderende Daniel Bregante. "Disse resultater er en vigtig brik i puslespillet for at forstå, hvorfor visse kombinationer af katalysatorer, opløsningsmidler og reaktanter førte til større hastigheder end andre."

Fra et teknologisk synspunkt, forskerne siger, at de nu ved, hvordan man konstruerer bedre syntetiske zeolitter og tuner dem til at påvirke reaktioner af mange typer.

"Dette princip er også relevant for materialer ud over zeolitter og andre kemiske processer, " sagde Flaherty. "Elektrokatalyse og andre sorptions- og separationsteknologier bruger mikroporøse materialer til omdannelser eller rensninger af kulbrinter eller biomasseafledte produkter, for eksempel." Teamets arbejde kan ændre, hvordan andre designer og syntetiserer materialer til disse applikationer.

Illinois professor Diwakar Shukla; kandidatstuderende Matthew Chan, Jun Zhi Tan og Zeynep Ayla; og Christopher Nicholas, af Honeywell, Des Plaines, Syg., deltaget i denne undersøgelse.