Kemiska ingenjörer vid University of Illinois Urbana-Champaign förstår nu hur vattenmolekyler samlas och ändrar form i vissa inställningar, avslöjar en ny strategi för att påskynda kemiska reaktioner som är kritiska för industrin och miljömässig hållbarhet. Det nya tillvägagångssättet kommer att spela en roll för att hjälpa kemitillverkare att komma bort från skadliga lösningsmedelskatalysatorer till förmån för vatten.

Deras metod drar fördel av hålen, tunnlar och passager inom nanoskala mikroporösa kristaller som kallas zeoliter. Porrummen i vissa zeoliter är så smala att när de är mättade med vatten, de kan bara passa kedjor med en enda molekyl inom sina gränser. Dessa enkelfilskedjor av vattenmolekyler har olika termokemiska egenskaper än vanligt eller "bulk" vatten, sa forskarna, vilket får konsekvenser inom många vetenskapliga discipliner.

Studien, ledd av professor i kemisk och biomolekylär teknik David Flaherty, publiceras i tidskriften Naturkatalys .

Zeoliter, som kan bete sig som små svampar, filter eller till och med katalysatorer, har använts i åratal i material som suger upp miljöutsläpp och renar vatten och andra kemikalier. Forskare förstår att interaktionerna med vatten inuti zeolitporer i hög grad påverkar deras stabilitet som katalysatorer, men det har varit oklart hur eller varför detta händer.

I labbet, laget använde spektroskopiska metoder för att mäta systematiska skillnader mellan vattenmolekylernas form och arrangemang i bulkfasen och de vattenmolekyler som är begränsade inom en serie zeoliter med successivt mindre porstorleksdiametrar, inklusive 1.3, 0,7, 0,5 och 0,3 nanometer — 5, 000 till 10, 000 gånger mindre än tjockleken på ett människohår.

"Vi såg högre hastigheter av kemiska reaktioner nära små kluster av vattenmolekyler som är begränsade i zeolitporerna än i de utan vatten eller i bulkliknande vatten, "Sa Flaherty." Korrelationer mellan entropiförändringar i vattnet som orsakas av reaktionen, reaktionshastigheterna och storleken på zeolitporerna tyder på att förändringarna i strukturen hos vattenkluster och kedjor är ansvariga för förbättringen av katalytiska hastigheter. "

"När de kedjeliknande vattenstrukturerna var tvungna att omorganisera för att rymma de reagerande molekylerna, det ledde till oväntade - och dramatiska - höjningar av räntorna, "sade huvudförfattaren och före detta doktoranden i Illinois Daniel Bregante." Dessa fynd är en viktig pusselbit för att förstå varför vissa kombinationer av katalysatorer, lösningsmedel och reaktanter ledde till högre hastigheter än andra. "

Ur teknisk synvinkel, forskarna säger att de nu vet hur man konstruerar bättre syntetiska zeoliter och ställer in dem för att påverka reaktioner av många typer.

"Denna princip är också relevant för material bortom zeoliter och andra kemiska processer, "Flaherty sa." Elektrokatalys och andra sorptions- och separationsteknologier använder mikroporösa material för omvandling eller rening av kolväten eller produkter från biomassa, till exempel. "Teamets arbete kan förändra hur andra designar och syntetiserar material för dessa applikationer.

Illinois professor Diwakar Shukla; doktorander Matthew Chan, Jun Zhi Tan och Zeynep Ayla; och Christopher Nicholas, från Honeywell, Des Plaines, Sjuk., deltog i denna studie.