Zeoliter kristaller, används bland annat för raffinering av petroleum till bensin och biomassa till biobränslen, är de mest använda katalysatorerna i vikt på planeten, och att upptäcka mekanismer för hur de bildas har varit av stort intresse för den kemiska industrin och närstående forskare, säger kemisten Scott Auerbach och kollegor vid University of Massachusetts Amherst. De hoppas att deras framsteg på ett nytt sätt att förstå zeolitstruktur och vibrationer leder till nya, skräddarsydda zeoliter för användning i sofistikerade nya applikationer.

Deras omslagsberättelse i ett nyligen utgåva av Journal of the American Chemical Society beskriver hur teamet använde systematiska analyser och en teknik som kallas Raman -spektroskopi, plus kvantmekanisk modellering, för att upptäcka nya nanoskala byggstenar som de kallar "tricykliska broar, "för att förklara zeoliternas porösa strukturer och deras dynamiska beteenden.

Auerbach säger, "Detta genombrott är viktigt eftersom det ger oss ett sätt att se det osynliga - de exakta strukturerna som leder till zeolitkristaller. Vi hoppas att sådana strukturella insikter hjälper oss att syntetisera nya, skräddarsydda zeoliter för avancerade applikationer inom ren energi och kolfångst. "Hans medförfattare inkluderar kemiingenjör Wei Fan och första författaren Tongkun Wang vid UMass Amherst, med andra vid Worcester Polytechnic Institute.

Författarna säger att genom att ersätta tidigare "alltför förenklade" tillvägagångssätt, deras metoder kan "förbättra vår förmåga att använda Raman -spektroskopi som ett analytiskt verktyg för att undersöka zeolitstruktur och bildning, använder begreppet tricykliska broar. "

I detta arbete som stöds av U.S. Department of Energy Division of Materials Science and Engineering, Auerbach och kollegor säger att avslöjande zeolit-syntes kompliceras av det faktum att prekursorstrukturer är medelstora, så de faller ner i en "blind fläck" i nanoskala-för stora för strukturella analyser på atomnivå och funktionell grupp och för oordning för röntgenanalyser. Däremot, Ramanspektroskopi "har framträtt som ett kraftfullt verktyg för att sondera medelstora strukturer i olika material, "konstaterar de.

Fan förklarar att tills nu, experimentella studier om syntesen av zeoliter med nya strukturer och kompositioner baserades på test-och-fel-metoder, och att karakterisera processen utgjorde en "lockande utmaning". Deras bidrag baserat på tricykliska broar ger ett nytt verktyg för att förstå kristalliseringsvägen, öppna dörren för att designa material för avancerade tillämpningar inom katalys och separationer, de uppger.

Ytterligare, de påpekar att "det antas ofta med få bevis för att Raman -band kan tilldelas enskilda zeolitringar." De testade detta antagande och fann att tricykliska broar - samlingar av tre zeolitringar som är sammankopplade - spelar en avgörande roll för zeolitbildning. Med hjälp av detta, de upptäckte ett exakt samband mellan zeolitbindningsvinkel och Raman -frekvens som kan användas för att identifiera strukturer som bildas under zeolitkristallisation.

I framtida arbete, Auerbach, Fan och deras team planerar att mäta och modellera Raman -spektra under zeolitkristalliseringsprocessen, för att bestämma vilka tricykliska broar som finns och som kommer att ärvas av de resulterande zeoliterna.