Chemische ingenieurs van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois begrijpen nu hoe watermoleculen in sommige omgevingen samenkomen en van vorm veranderen. onthulling van een nieuwe strategie om chemische reacties te versnellen die cruciaal zijn voor de industrie en de duurzaamheid van het milieu. De nieuwe aanpak is klaar om een ​​rol te spelen bij het helpen van chemische fabrikanten om af te stappen van schadelijke oplosmiddelkatalysatoren in plaats van water.

Hun methode maakt gebruik van de gaten, tunnels en doorgangen in microporeuze kristallen op nanoschaal, zeolieten genaamd. De poriënruimten in sommige zeolieten zijn zo smal dat wanneer ze verzadigd zijn met water, ze kunnen alleen binnen hun grenzen passen in ketens van één molecuul. Deze enkelvoudige ketens van watermoleculen hebben andere thermochemische eigenschappen dan gewoon of "bulk" water, zeiden de onderzoekers, wat gevolgen heeft voor veel wetenschappelijke disciplines.

De studie, onder leiding van professor scheikundige en biomoleculaire engineering David Flaherty, wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Katalyse .

zeolieten, die zich kunnen gedragen als kleine sponzen, filters of zelfs katalysatoren, worden al jaren gebruikt in materialen die milieuvervuiling opzuigen en water en andere chemicaliën zuiveren. Onderzoekers begrijpen dat de interacties met water in zeolietporiën een grote invloed hebben op hun stabiliteit als katalysator, maar het is onduidelijk hoe of waarom dit gebeurt.

In het labortorium, het team gebruikte spectroscopische methoden om systematische verschillen te meten tussen de vorm en rangschikking van watermoleculen in de bulkfase en die watermoleculen opgesloten in een reeks zeolieten met steeds kleinere poriediameters, inclusief 1.3, 0,7, 0,5 en 0,3 nanometer-5, 000 tot 10, 000 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar.

"We zagen hogere snelheden van chemische reacties in de buurt van kleine clusters van watermoleculen opgesloten in de zeolietporiën dan in die zonder water of in bulkachtig water, Flaherty zei. "Correlaties tussen entropieveranderingen in het water veroorzaakt door de reactie, de reactiesnelheden en de grootte van de zeolietporiën suggereren dat de veranderingen in de structuur van waterclusters en -ketens verantwoordelijk zijn voor de verbetering van de katalytische snelheden."

"Toen de kettingachtige waterstructuren moesten reorganiseren om plaats te bieden aan de reagerende moleculen, het leidde tot onverwachte - en dramatische - verhogingen van de tarieven, " zei hoofdauteur en voormalig afgestudeerde student uit Illinois, Daniel Bregante. "Deze bevindingen zijn een belangrijk stukje van de puzzel om te begrijpen waarom bepaalde combinaties van katalysatoren, oplosmiddelen en reactanten leidden tot hogere snelheden dan andere."

Vanuit technologisch oogpunt, de onderzoekers zeggen dat ze nu weten hoe ze betere synthetische zeolieten kunnen maken en afstemmen om reacties van vele soorten te beïnvloeden.

"Dit principe is ook relevant voor materialen buiten zeolieten en andere chemische processen, " zei Flaherty. "Elektrokatalyse en andere sorptie- en scheidingstechnologieën gebruiken microporeuze materialen voor conversies of zuivering van koolwaterstoffen of van biomassa afgeleide producten, bijvoorbeeld." Het werk van het team kan veranderen hoe anderen materialen voor deze toepassingen ontwerpen en synthetiseren.

Illinois-professor Diwakar Shukla; afgestudeerde studenten Matthew Chan, Jun Zhi Tan en Zeynep Ayla; en Christoffel Nicolaas, van Honeywell, Des Plaines, Ziek., deelgenomen aan dit onderzoek.