Duizenden chemische processen die door de energie-industrie en voor andere toepassingen worden gebruikt, zijn afhankelijk van de hoge snelheid van katalytische reacties, maar moleculen worden vaak gehinderd door moleculaire files die ze vertragen. Nu is er een geheel nieuwe klasse van poreuze katalysatoren uitgevonden, unieke vinnen gebruiken om de chemie te versnellen door moleculen de regels te laten overslaan die de reactie beperken.

Deze ontdekking werd gepubliceerd in Natuurmaterialen , het toonaangevende tijdschrift voor materiaalkunde.

De doorbraak was gericht op het verminderen van barrières voor moleculen die toegang hebben tot de inwendige poriën van katalysatoren, zeolieten genoemd - aluminosilicaten met poriën kleiner dan een nanometer. Zeolieten worden veel gebruikt in commerciële processen als vaste katalysatoren voor de productie van benzine en chemicaliën met toegevoegde waarde en andere producten.

Bij deze toepassingen chemie in de zeolietporiën vereist eerst moleculen om het kleine aantal openingen op het buitenoppervlak van katalysatordeeltjes te vinden. Dit creëert een wachtrij van moleculen die "in de rij moeten wachten" om het deeltje binnen te gaan, diffuus naar de actieve plaats die betrokken is bij de chemische reactie, en verlaat dan het deeltje.

Een benadering om deze transportproblemen aan te pakken, is het synthetiseren van kleine nanodeeltjes. Naarmate zeolieten kleiner worden, de hoeveelheid oppervlakte die de poriën blootlegt neemt toe per hoeveelheid katalysatormateriaal, die een betere toegang geeft voor moleculen die de poriën binnendringen. Kleinere deeltjes verkleinen ook de interne afstand die moleculen door het deeltje moeten afleggen.

Echter, de synthese van deze kleinere zeolietdeeltjes is duur, en de resulterende deeltjes zijn vaak te inefficiënt voor praktische toepassingen.

Onderzoekers van de Universiteit van Houston, onder leiding van Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler Hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering, een manier ontwikkeld om grotere katalysatordeeltjes te laten gedragen als nanodeeltjes - dat wil zeggen, om moleculen binnen te laten, een reactie opwekken en snel vertrekken, door groeiende uitsteeksels, of vinnen, op de oppervlakken van katalysatordeeltjes. Door vinnen op nanoschaal toe te voegen die uitsteken uit het buitenoppervlak van grote deeltjes, de opgeruwde buitenkant van het deeltje nam aanzienlijk toe in oppervlakte, het verlenen van een betere toegang aan moleculen en het verminderen van de transportbeperkingen die conventionele zeolietmaterialen vaak teisteren.

"Onze nieuwe synthesebenadering speelt in op het werk dat we al vele jaren in onze groep doen, gericht op het beheersen van zeolietkristallisatie op manieren die de groei van vinnen mogelijk maken, Rimer zei. "Deze nieuwe klasse van materialen omzeilt de noodzaak om nanodeeltjes direct te synthetiseren, het creëren van een nieuw paradigma in het ontwerp van zeolietkatalysatoren."

Rimer werkte met een team van internationale experts op het gebied van materiaalsynthese, karakterisering en modellering om het vermogen van zeolieten met vinnen aan te tonen om de prestaties van deze unieke familie van vaste katalysatoren te verbeteren. Door zeolieten met vinnen te vergelijken met conventionele katalytische materialen, ze toonden aan dat zeolieten met vinnen bijna acht keer langer meegaan. Rimer zei dat de opname van vinnen leidt tot kortere interne diffusieroutes en ervoor zorgt dat moleculen de reactieplaatsen efficiënt bereiken, terwijl de neiging van op koolstof gebaseerde soorten om geïmmobiliseerd te raken, wordt verminderd. Die opbouw deactiveert uiteindelijk de katalysator.

Xiaodong Zou, hoogleraar anorganische en structurele chemie aan de Universiteit van Stockholm, en leden van haar laboratorium voerden geavanceerde 3D-elektronenmicroscopiekarakterisering uit om de poriestructuren van de geribbelde kristallen te ontrafelen en bevestigden dat de vinnen verlengstukken waren van het onderliggende kristal en geen belemmeringen vormden voor interne diffusie.

"Het is verbazingwekkend om te zien hoe goed al deze honderden individuele nanovinnen zijn uitgelijnd met het moederkristal, ' zei Zou.

Aanvullende state-of-the-art technieken voor het karakteriseren van zeolietkatalysatoren in realtime werden uitgevoerd aan de Universiteit Utrecht door de onderzoeksgroep van Bert Weckhuysen, hoogleraar katalyse, energie en duurzaamheid. Deze metingen bevestigden het uitzonderlijke vermogen van zeolieten met vinnen om de activiteit van de katalysator veel langer te laten duren dan die van grotere katalysatoren.

Weckhuysen zei dat het gebruik van operandospectroscopie duidelijk aantoonde hoe de introductie van vinnen de hoeveelheid externe cokesafzettingen tijdens katalyse verlaagde. "Dat verlengde de levensduur van zeolietkristallen met vinnen aanzienlijk, " hij zei.

Jeremy Palmer, universitair docent chemische en biomoleculaire engineering aan de UH, gebruikte computationele methoden om gevinde materialen te modelleren en uit te leggen hoe het nieuwe ontwerp werkt om de katalyse te verbeteren.

Onderzoekers hadden verwacht dat de vinnen beter zouden presteren dan een standaard zeolietkatalysator, hij zei. "Maar we ontdekten dat het niet alleen een verbetering van 10% of 20% was. Het was een verdrievoudiging van de efficiëntie. De omvang van de verbetering was een echte verrassing voor ons."

Aanvullend werk aan de Universiteit van Minnesota door de onderzoeksgroep van Paul Dauenhauer, hoogleraar chemische technologie en materiaalkunde, en door Michael Tsapatsis, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan de Johns Hopkins University, bevestigde de verbeterde massatransporteigenschappen van zeolieten met vinnen. Met behulp van een nieuwe methode om de diffusie van moleculen door infrarood licht te volgen, toonden de UM-onderzoekers aan dat de vinnen het molecuultransport tussen 100 en 1 verbeterden. 000 keer sneller dan conventionele deeltjes.

"Door de toevoeging van vinnen kunnen moleculen in de kanalen van zeolieten komen waar de chemie plaatsvindt, maar het zorgt er ook voor dat moleculen snel uit het deeltje kunnen komen, waardoor ze voor een veel langere periode kunnen werken, ' zei Dauenhauer.

De ontdekking is direct relevant voor de industrie voor een groot aantal toepassingen, inclusief de productie van brandstoffen, chemicaliën voor kunststoffen en polymeren, en reacties die moleculen maken voor voedsel, medicijnen en producten voor persoonlijke verzorging.

"Het mooie van deze nieuwe ontdekking is de mogelijke generalisatie naar een breed scala aan zeolietmaterialen, gebruikmakend van technieken die gemakkelijk in bestaande syntheseprocessen kunnen worden ingepast, " zei Rimer. "Het vermogen om de eigenschappen van vinnen te beheersen zou een veel grotere flexibiliteit kunnen bieden in het rationele ontwerp van zeolietkatalysatoren."