Zeolieten kristallen, onder andere gebruikt voor het raffineren van aardolie tot benzine en biomassa tot biobrandstoffen, zijn de meest gebruikte katalysatoren in gewicht op de planeet, en het ontdekken van mechanismen van hoe ze zich vormen, is van intens belang geweest voor de chemische industrie en aanverwante onderzoekers, zeggen chemicus Scott Auerbach en collega's van de Universiteit van Massachusetts Amherst. Ze hopen dat hun vooruitgang op een nieuwe manier om de structuur en trillingen van zeoliet te begrijpen, leidt tot nieuwe, op maat gemaakte zeolieten voor gebruik in geavanceerde nieuwe toepassingen.

Hun coverstory in een recent nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society beschrijft hoe het team systematische analyses gebruikte en een techniek genaamd Raman-spectroscopie, plus kwantummechanische modellering, om nieuwe bouwstenen op nanoschaal te ontdekken die ze "tricyclische bruggen, " om de poreuze structuren en hun dynamische gedrag van zeolieten te helpen verklaren.

Auerbach zegt, "Deze doorbraak is belangrijk omdat het ons een manier geeft om het onzichtbare te zien - de precieze structuren die leiden tot zeolietkristallen. We hopen dat dergelijke structurele inzichten ons zullen helpen om nieuwe, op maat gemaakte zeolieten voor geavanceerde toepassingen in schone energie en koolstofafvang." Zijn co-auteurs zijn onder meer chemisch ingenieur Wei Fan en eerste auteur Tongkun Wang bij UMass Amherst, met anderen bij Worcester Polytechnic Institute.

De auteurs zeggen dat door eerdere "te simplistische" benaderingen te vervangen, hun methoden kunnen "ons vermogen verbeteren om Raman-spectroscopie te gebruiken als een analytisch hulpmiddel voor het onderzoeken van de structuur en vorming van zeoliet, met behulp van het concept van tricyclische bruggen."

In dit werk ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy Division of Materials Science and Engineering, Auerbach en collega's zeggen dat het onthullen van zeolietsynthese wordt bemoeilijkt door het feit dat de voorloperstructuren middelgroot zijn, dus vallen ze in een "blinde vlek" op nanoschaal - te groot voor structurele analyses op atomair niveau en functionele groepen en te ongeordend voor röntgenanalyses. Daarentegen, Raman-spectroscopie "is naar voren gekomen als een krachtig hulpmiddel voor het onderzoeken van structuren op middellange afstand in een verscheidenheid aan materialen, " merken ze op.

Fan legt uit dat tot nu toe, experimentele studies over de synthese van zeolieten met nieuwe structuren en samenstellingen waren gebaseerd op trial-and-error-methoden, en het karakteriseren van het proces vormde een 'verleidelijke uitdaging'. Hun bijdrage op basis van tricyclische bruggen biedt een nieuw hulpmiddel voor het begrijpen van de kristallisatieroute, de deur openen naar het ontwerpen van materialen voor geavanceerde toepassingen in katalyse en scheidingen, ze stellen.

Verder, zij wijzen erop dat "vaak met weinig bewijs wordt aangenomen dat Raman-banden kunnen worden toegewezen aan individuele zeolietringen." Ze testten deze veronderstelling en ontdekten dat tricyclische bruggen - verzamelingen van drie zeolietringen die met elkaar verbonden zijn - een cruciale rol spelen bij de vorming van zeoliet. Met behulp van dit, ze ontdekten een precieze relatie tussen zeolietbindingshoek en Raman-frequentie die kan worden gebruikt om structuren te lokaliseren die zich vormen tijdens zeolietkristallisatie.

Bij toekomstig werk, Auerbach, Fan en hun team zijn van plan om Raman-spectra te meten en te modelleren tijdens het zeolietkristallisatieproces, om te bepalen welke tricyclische bruggen aanwezig zijn en zullen worden geërfd door de resulterende zeolieten.