Tusentals kemiska processer som används av energiindustrin och för andra tillämpningar förlitar sig på den höga hastigheten på katalytiska reaktioner, men molekyler hindras ofta av molekylära trafikstockningar som bromsar dem. Nu har en helt ny klass av porösa katalysatorer uppfunnits, med unika fenor för att påskynda kemin genom att låta molekyler hoppa över de linjer som begränsar reaktionen.

Denna upptäckt publicerades i Naturmaterial , den ledande tidskriften för materialvetenskap.

Genombrottet fokuserade på att minska barriärer för molekyler som får tillgång till katalysatorernas inre porer, kallas zeoliter - aluminosilikater med porer mindre än en nanometer. Zeoliter används i stor utsträckning i kommersiella processer som fasta katalysatorer för produktion av bensin och mervärdeskemikalier och andra produkter.

I dessa applikationer, kemi i zeolitporerna kräver först molekyler för att hitta det lilla antalet öppningar på utsidan av katalysatorpartiklar. Detta skapar en kö av molekyler som måste "vänta i kö" för att komma in i partikeln, diffus till den aktiva platsen som är involverad i den kemiska reaktionen, och lämna sedan partikeln.

Ett sätt att ta itu med dessa transportproblem har varit att syntetisera små nanopartiklar. När zeoliterna blir mindre, mängden ytarea som exponerar porerna ökar per mängd katalysatormaterial, vilket ger ökad tillgång för molekyler som kommer in i porerna. Mindre partiklar minskar också det inre avståndet molekyler måste resa genom partikeln.

Dock, syntesen av dessa mindre zeolitpartiklar är dyr, och de resulterande partiklarna är ofta för ineffektiva för praktiska tillämpningar.

Forskare vid University of Houston, ledd av Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler Professor i kemisk och biomolekylär teknik, utvecklat ett sätt att få större katalysatorpartiklar att bete sig som nanopartiklar - det vill säga för att låta molekyler komma in, väcka en reaktion och lämna snabbt, genom växande utskjutningar, eller fenor, på katalysatorpartiklarnas ytor. Genom att lägga till nanoskala fenor som sticker ut från den yttre ytan av stora partiklar, partikelns grovade yta ökade avsevärt i ytarea, ge molekyler ökad åtkomst och minska transportbegränsningarna som ofta plågar konventionella zeolitmaterial.

"Vår nya syntesmetod drar nytta av det arbete vi har gjort i vår grupp i många år, fokuserat på att kontrollera zeolitkristallisation på sätt som möjliggör tillväxt av fenor, "Sa Rimer." Denna nya materialklass kringgår behovet av att direkt syntetisera nanopartiklar, skapa ett nytt paradigm i zeolitkatalysatordesign. "

Rimer arbetade med ett team av internationella experter inom materialsyntes, karakterisering och modellering för att demonstrera förmågan hos finnze zeoliter att förbättra prestanda för denna unika familj av fasta katalysatorer. Genom att jämföra finnze zeoliter med konventionella katalytiska material, de visade att zeoliter med fenor varade nästan åtta gånger längre. Rimer sa att införlivandet av fenor leder till kortare inre diffusionsvägar och säkerställer att molekyler effektivt når reaktionsställena samtidigt som de minskar benägenheten för kolbaserade arter att bli immobiliserade. Den uppbyggnaden avaktiverar slutligen katalysatorn.

Xiaodong Zou, professor i oorganisk och strukturell kemi vid Stockholms universitet, och medlemmar i hennes laboratorium utförde avancerad 3-D elektronmikroskopikarakterisering för att avveckla porstrukturerna i finnkristallerna och bekräftade att fenorna var förlängningar av den underliggande kristallen och inte skapade hinder för inre diffusion.

"Det är fantastiskt att se hur väl alla dessa hundratals enskilda nanofiner är i linje med moderkristallen, "Sa Zou.

Ytterligare toppmoderna tekniker för att karakterisera zeolitkatalysatorer i realtid utfördes vid Utrecht University av forskargruppen Bert Weckhuysen, professor i katalys, energi och hållbarhet. Dessa mätningar bekräftade fenoliga zeoliters exceptionella förmåga att förlänga katalysatoraktivitet långt utöver den för större katalysatorer.

Weckhuysen sa att användningen av operandospektroskopi tydligt visade hur införandet av fenor sänkte mängden externa koksavlagringar under katalys. "Det ökade livslängden för finnade zeolitkristaller väsentligt, " han sa.

Jeremy Palmer, biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik vid UH, använde beräkningsmetoder för att modellera material med finnar och förklara hur den nya designen fungerar för att förbättra katalys.

Forskare hade förväntat sig att fenorna skulle prestera bättre än en zeolitkatalysator av standardstorlek, han sa. "Men vi fann att det inte bara var en förbättring på 10% eller 20%. Det var en tredubbling av effektiviteten. Förbättringens omfattning var en verklig överraskning för oss."

Ytterligare arbete vid University of Minnesota av forskargruppen Paul Dauenhauer, professor i kemiteknik och materialvetenskap, och av Michael Tsapatsis, professor i kemisk och biomolekylär teknik vid Johns Hopkins University, bekräftade de förbättrade masstransportegenskaperna hos finnade zeoliter. Med hjälp av en ny metod för att spåra molekyldiffusion av infrarött ljus, UM -forskarna visade att fenorna förbättrade molekyltransporten mellan 100 och 1, 000 gånger snabbare än konventionella partiklar.

"Tillägget av fenor tillåter molekyler att komma in i kanolernas kanaler där kemin sker, men det låter också molekyler snabbt komma ut ur partikeln, som låter dem arbeta under en mycket längre tid, "Sa Dauenhauer.

Upptäckten har omedelbar relevans för industrin för en mängd applikationer, inklusive produktion av bränslen, kemikalier för plast och polymerer, och reaktioner som gör molekyler för mat, medicin och produkter för personlig vård.

"Det fina med denna nya upptäckt är dess potentiella generalisering till ett brett spektrum av zeolitmaterial, använda tekniker som är lätta att införliva i befintliga syntesprocesser, "Rimer sa." Möjligheten att kontrollera fenornas egenskaper kan möjliggöra mycket större flexibilitet i den rationella utformningen av zeolitkatalysatorer. "