Тысячи химических процессов, используемых в энергетической промышленности и в других применениях рассчитывать на высокую скорость каталитических реакций, но и молекулы часто тормозятся из-за молекулярных пробок, которые замедлят их скорость. Сейчас появился совершенно новый класс пористых катализаторов был изобретен, используя уникальные ласты для ускорения химии, позволяя молекулам, чтобы пропустить линии, которые ограничивают реакции.
Это открытие было опубликовано в природе материалов.
Прорыв направлены на снижение барьеров для доступа молекул интерьер поры катализаторы, называемые цеолиты — алюмосиликаты с порами меньше нанометра. Цеолиты широко используются в коммерческих процессов в качестве твердых катализаторов для производства бензина и химических веществ на добавленную стоимость и других продуктов.
В этих приложениях, химии в поры цеолита в первую очередь требует молекул, чтобы найти небольшое число отверстий на внешней поверхности частиц катализатора. Это создает очередь из молекул, которые должны «стоять в очереди», чтобы войти в частицы, рассеянной на сайте Active участвует в химической реакции, а затем покинуть частицу.
Один из подходов к решению этих проблем транспорта было синтезировать малых наночастиц. В качестве цеолитов стало меньше, площадь поверхности, обнажая поры увеличивается на количество каталитического материала, который повышает доступность для молекул, входя в поры. Более мелкие частицы, также уменьшает внутреннее расстояние молекулы должны путешествовать через частицу.
Однако, синтез этих более мелких частиц цеолита стоит дорого, а в результате этого частицы часто являются слишком неэффективными для решения прикладных задач.
Исследователи из Университета Хьюстона, возглавляемая Джеффри Ример, Авраам Е. Соловьев профессор химической и биомолекулярной инженерии, разработал способ, чтобы вызвать больший катализатора частицы поведут себя наночастицы — то есть позволить молекул, искры реакции и выход быстро, растет выступы или ребра, на поверхности катализатора частиц. При добавлении наноразмерных ребер, которые выступают из внешней поверхности крупных частиц, шероховатой наружной поверхности частиц значительно увеличился по площади, выдачу молекулы, расширение доступа и снижение транспортных ограничений, которые часто чумы традиционных цеолитных материалов.
«Наш новый подход к синтезу основывается на работе, которую мы проводим в нашей группе на протяжении многих лет, уделяя особое внимание контролю кристаллизации цеолита в пути, способствующие росту плавники», — сказал Ример. «Этот новый класс материалов обходит потребность для синтеза наночастиц, создавая новую парадигму в цеолит конструкция катализатора.»
Ример, совместно с группой международных экспертов в области синтеза материалов, определения характеристик и моделирования, чтобы продемонстрировать способность ребристой цеолитов для повышения производительности этой уникальной семьи твердых катализаторов. Сравнение оребренных цеолитов при обычных каталитических материалов, они показали, что цеолиты с ребрами длилась почти в восемь раз больше. Сказал Ример включение ребер приводит к короче внутренних диффузионных потоков и обеспечивает молекулы эффективно достичь сайтах реакции при одновременном снижении склонности углерода на основе вида, чтобы стать обездвиженным. Что построить в конечном счете дезактивирует катализатор.
Цзоу Сяодун, профессор кафедры неорганической и структурной химии Стокгольмского университета, и члены ее лаборатории проводятся современные 3D электронная микроскопия характеристика разгадать поровой структуры ребристой кристаллы и подтвердил, что ласты были расширения базового кристалла и не создавать препятствий для внутренней диффузии.
«Это удивительно видеть, насколько хорошо все эти сотни отдельных nanofins выравниваются с родительской Кристалл», сказал Цзоу.
Государство-оф-искусство технологии для характеристики цеолитных катализаторов в режиме реального времени проводили в Утрехтском университете исследовательской группой Берта Weckhuysen, профессор кафедры катализа, энергии и устойчивости. Эти измерения подтвердили исключительную способность ребристой цеолитов продлить активность катализатора, заметно больших, чем больше катализаторов.
Сказал Weckhuysen использование operando-спектроскопии показали наглядно, как внедрение фэн снизил объем внешних коксовых отложений в процессе катализа. «Что существенно увеличило срок службы ребристой кристаллов цеолита», — сказал он.
Джереми Палмер, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии э-э, использовать численные методы для моделирования ребристых материалы и объяснить, каким образом новый дизайн работает, чтобы улучшить катализа.
Исследователи ожидали, что ребер будет выполнять лучше, чем стандартного размера цеолитсодержащий катализатор, — сказал он. «Но мы обнаружили, что он был не просто 10% или 20% — ное улучшение. Это было утроение эффективности. Величина улучшения была для нас настоящим сюрпризом».
Дополнительная работа в Университете Миннесоты исследовательской группы Пол Dauenhauer, профессор химической технологии и материаловедения, и Майкл Tsapatsis, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Университете Джонса Хопкинса, подтвердили повышенную массу транспортных свойств ребристой цеолитов. Используя новый метод для того чтобы отслеживать диффузии молекул инфракрасного света, исследователи показали, что ЭМ ребер усиливается молекула транспорта между 100 и 1000 раз быстрее, чем обычные частицы.
«Кроме ребер позволяет молекулам проникать в каналы цеолитов, где химия происходит, но это также позволяет молекулам быстро сделать из частицы, которая позволяет им работать в течение гораздо более длительного периода времени», — сказал Dauenhauer.
Это открытие имеет непосредственное отношение к индустрии для целого ряда применений, включая производство топлива, химических веществ, пластмасс и полимеров, и реакций, которые заставляют молекулы пищи, медикаментов и средств личной гигиены.
«Красота это новое открытие является его потенциальным обобщение широкого спектра цеолита материалов, используя методы, которые легко включить в существующие процессы синтеза», — сказал Ример. «Возможность контролировать свойства ребер может привести к гораздо большей гибкостью в рациональной конструкции цеолитных катализаторах»
Эта работа была поддержана и является частью большего представительства Министерства энергетики США, с дополнительной поддержкой со стороны различных международных финансовых учреждений.
почувствуйте разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!