打破分子堵车与鳍片的纳米多孔材料

超小翅片新多孔催化剂促进分子转运

Zeolite
三维翅片沸石催化剂提高到颗粒(由J.C.帕创建图形)的内部分子的访问。
杰弗里·里默,亚伯拉罕即化学和生物分子工程教授dukler
杰弗里·里默,亚伯拉罕即化学和生物分子工程教授dukler

数以千计的能源工业和其他应用程序使用的化学过程依赖于催化反应的速度快,但经常分子通过分子堵车是慢下来的阻碍。现在一类全新的多孔催化剂的,已经发明,采用独特的翅片通过允许分子跳过限制反应的线条以加快化学。 

这一发现刊登在 自然材料,材料科学的领先杂志。 

突破集中在减少用于进入内部分子屏障催化剂,称为沸石的孔隙 - 硅铝酸盐具有孔比纳米小。沸石被广泛应用于工业方法如固体催化剂 用于生产 汽油和增值化学品和其他产品。  

在这些应用中,沸石中的化学孔隙首先需要分子找到的催化剂颗粒的外表面上的小数量的开口。这产生分子的队列 必须“等待 在线”进入粒子,弥漫到参与化学反应的活性位点,然后退出所述粒子。 

解决这些交通问题的一个方法是合成小的纳米颗粒。沸石变得更小,表面面积的量露出所述孔每催化剂材料,其补助增加了进入孔分子访问的量增加。更小的颗粒也减少通过粒子内部距离分子必须行进。  

然而,这些较小的沸石颗粒的合成是 昂贵, 将得到的颗粒通常在实际应用中过于低效的。 

研究人员在澳门赌场,由杰弗里·里默,亚伯拉罕率领ê。化学和生物分子工程dukler教授,开发了一种方法,以诱导更大的催化剂颗粒的行为类似于纳米颗粒 - 即,以允许分子进入,快速引发的反应和出口,通过生长突起或翅片,催化剂颗粒的表面上。通过添加纳米级翅片,从大颗粒的外表面突出,粒子的粗糙外表面面积增加显著,授予分子增加访问和减少了运输的限制经常困扰常规沸石材料。 

“我们的工作新合成方法大写,我们已经在我们组已经做了很多年,专注于方式,以使得散热片的生长调节沸石结晶,”里默说。 “这个新类的材料绕过需要直接合成的纳米颗粒,从而在沸石催化剂设计一个新的范例。” 

里默曾与一队在材料合成,表征和建模演示翅片沸石的能力,提高固体催化剂的这种独特系列的性能国际专家。通过翅片沸石与传统的催化材料相比,它们显示,与翅片沸石持续时间长将近8倍。绞刀,决定所述鳍引线的较短的内部扩散路径,并且确保分子掺入有效地到达反应位点,同时减少碳基物种的倾向,成为固定。那堆积,最终使催化剂失活。 

小董邹,斯德哥尔摩大学无机和结构化学的教授,她的实验室的成员进行先进的三维电子显微镜表征解开翅片结晶的孔结构以及用于确认所述翅片是底层晶体的扩展和没有创建障碍内部扩散。  

“这是令人惊讶地看到如何所有这些数以百计的个人nanofins都与父母水晶排列,”邹说。  

用于表征实时沸石催化剂,另外国家的最先进的技术是在由研究小组BERT weckhuysen,催化,能源和可持续发展的教授的乌特勒支大学进行。这些测量证实翅片沸石的以延长催化剂活性远远超出了较大的催化剂的特殊能力。  

weckhuysen表示使用operando光谱清楚地表明引入翅片催化期间如何降低外部焦炭沉积物的量。 “即翅片沸石晶体的寿命显着增加,”他说。 

杰里米·帕尔默,在恩化学和生物分子工程学助理教授, 使用的计算方法模型翅片材料和 解释新的设计是如何工作的,以提高催化。  

研究人员预计将散热片比标准尺寸的沸石催化剂有更好的表现,他说。 “但我们发现它不只是一个10%或20%的改善。这是一个三倍的效率。提高的幅度是一个真正的惊喜给我们。” 

在明尼苏达由研究小组保罗dauenhauer,化学工程与材料科学教授和迈克尔tsapatsis,约翰霍普金斯大学化学和生物分子工程学教授的大学额外的工作,证实翅片沸石的质量提高传输性能。使用新的方法,通过红外光来跟踪分子扩散时,UM研究人员证明,翅片增强分子运输比常规颗粒更快速倍100和1000之间。  

“加散热片允许分子获得,其中发生化学沸石的通道内,但它也让分子迅速得到颗粒,这让他们的时间更长周期操作的了,” dauenhauer说。  

发现有直接关系到行业的应用程序的主机,包括生产燃料,塑料和聚合物,和反应,使食品,药品和个人护理产品的分子的化学物质。 

“这一新发现的优点是它的潜在的推广到各种各样的沸石材料,使用,很容易在现有的合成方法掺入的技术,”绞刀,决定所述。 “来控制散热片的属性的能力可能允许在沸石催化剂的合理设计了更大的灵活性。”  

这项工作是由支持,是美国的一个更大的任务的一部分能源部门,与各国际融资机构提供了更多的支持。