Aromater är viktiga byggstenar i polymerer, eller plast, som dyker upp som allt från PET-flaskor för vatten till andningsbara, skrynkelbeständiga polyesterkläder. Dessa petrokemikalier omfattar en specialiserad, mervärdessektor inom energiindustrin. Processen för att raffinera råolja till användbara aromatiska strömmar för derivatanvändning involverar ofta användningen av en katalysator för att underlätta kemiska reaktioner. Bland de olika typerna av katalysatorer, många är zeoliter – porösa aluminiumsilikater – som ZSM-5, en unik syntetisk zeolit ​​som ofta används vid uppgradering av kemikalier vid alkylering och isomerisering. Petrokemiproducenter försöker ständigt minimera omkostnader för att klara av volatiliteten på råvarumarknaderna och tillhandahålla en konkurrenskraftig slutprodukt till den genomsnittliga personen.

Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler professor vid University of Houston Cullen College of Engineering och Javier Garcia-Martinez, professor i oorganisk kemi vid universitetet i Alicante, har avslöjat en såddmetod som förenklar syntesprocessen och resulterar i spontan pelare av zeoliter. Verket publiceras i Avancerade material . Processen resulterar i mer aluminiumkoncentrat i zeoliten och en unik kristallstruktur för att underlätta kemiska reaktioner med minskad koluppbyggnad.

"Denna nya teknik har fördelen att producera tjockare välformade ark, vilket är viktigt för att producera mycket stabila material - en viktig egenskap i de flesta industriellt relevanta tillämpningar, sa Martinez.

"Dessa hierarkiska katalysatorer visar oöverträffad förbättring av katalysatorprestanda med fyra gånger lägre deaktiveringshastigheter, femfaldig ökning av aktivitet och nästan tvåfaldig ökning av selektivitet, " enligt Rimer.

Inom industrin, petrokemiska producenter måste ofta göra vändningar vartannat år eller så för att regenerera en katalysator eller ersätta den helt och hållet. I USA, från slutet av första kvartalet till början av andra kvartalet brukar flera raffinaderier ta en underhållsperiod på två veckor till två månader för att klara detta. Under tiden, produktion och vinst går förlorad, och även om dessa förbättrade hierarkiska zeolitkatalysatorer inte kommer att göra slut på vändningar helt, deras mindre men stabila storlek på 30-60 nanometer levererar aluminium - aktiva platser för katalys - jämförbara med kommersiella ZSM-5. Dock, deras ringa storlek förbättrar samtidigt selektiviteten och minskar koluppbyggnaden. Detta tyder på längre perioder mellan kostsamma vändningar och ökad avkastning.

Implikationerna av denna studie sträcker sig till en förbättrad förståelse av zeolitkärnbildning - eller första observation av en kristall - och pekar mot en ny process för att skapa pelare zeoliter utan kostsamma organiska strukturstyrande medel (OSDA). Zeoliter med hierarkiska (pelare) strukturer har tidigare endast framställts med OSDA, som fungerar som mallar för att bilda dessa unika strukturer.

"Tills nu, OSDA ansågs vara avgörande för syntesen av pelarförsedda zeoliter, fungerar som mallar för att underlätta bildandet av tunna sammankopplade nanoark, " sa Rimer." Men som vi observerade i denna såddprocess, dessa 30-60 nanometer nanoark kom fram ur amorft material och bildade pelare utan någon mall."

"Tidigare försök att producera dessa katalysatorer krävde dyra organiska medel och låga utbyten erhölls vanligtvis, vilket i hög grad begränsade deras kommersiella tillämpning, sa Martinez.

Sådd visade sig vara avgörande för att syntetisera pelarformade zeoliter med förbättrad katalytisk prestanda vid Friedel-Craft-alkylering och metanol till kolväte-reaktioner. Denna syntesmetod kringgår den typiska energiintensiva processen att använda OSDA. Organiska ämnen som tidigare ansågs nödvändiga för att skapa zeoliter som kan användas kommersiellt är i slutändan inte längre nödvändiga.

Nästa steg för detta projekt inkluderar att skala upp processen för att visa om denna förbättrade zeolitkatalysator kan replikera dess prestanda i industriskala. Denna forskning fungerar också som en språngbräda för att ytterligare utforska implikationerna av sådd för att producera andra zeoliter med unika strukturer och exceptionell prestanda i kommersiella tillämpningar.