鳍状纳米多孔材料打破分子交通拥堵

鳍状纳米多孔材料打破分子交通拥堵
能源工业和其他应用使用的成千上万的化学过程依赖于催化反应的高速化，但是分子经常受分子交通堵塞的阻碍而使它们减速。

现在，已经发明了一类全新的多孔催化剂，它使用独特的散热片通过允许分子跳过限制反应的线来加速化学反应。

这一发现颁发在材料科学的领先期刊《自然材料》上。

突破的重点是减少分子进入催化剂内部孔的屏障，这些分子称为沸石-孔径小于纳米的铝硅酸盐。

沸石在商业过程中被广泛用作固体催化剂，用于生产汽油，增值化学品和其他产品。

在这些应用中，沸石孔内的化学首先需要分子在催化剂颗粒的外表面上找到少量的开口。

这将创建一个分子队列，这些分子必需“排队”才能进入粒子，扩散到化学反应中涉及的活性位点，然后离开粒子。

解决这些运输问题的一种方法是合成小的纳米颗粒。

随着沸石变得越来越小，表露于孔中的表面积的量随催化剂材料的量而增加，这增加了进入孔中的分子的通道。

较小的粒子还会减少分子必需通过粒子传播的内部距离。

然而，这些较小的沸石颗粒的合成是昂贵的，并且所得颗粒通常对于实际应用而言效率太低。

休斯顿大学的研究人员由亚伯拉罕·E·杜克勒化学与生物分子工程学教授杰弗里·里默(Jeffrey Rimer)领导，他们开发了一种方法来诱导较大的催化剂颗粒表示得像纳米颗粒，即允许分子进入，引发反应并退出通过在催化剂颗粒的表面上生长突起或翅片，可以快速地进行操作。

通过添加从大颗粒外表面突出的纳米级鳍片，颗粒的粗糙外部表面积显着增加，使分子具有更大的可及性并减少了经常困扰传统沸石材料的运输限制。

Rimer说：“我们的新合成方法利用了我们多年来在小组中所做的工作，专注于以使鳍片能够生长的方式控制沸石的结晶。

” “这类新型材料无需直接合成纳米颗粒，从而为沸石催化剂设计创造了新的范例。

”
Rimer与材料合成，表征和建模方面的国际专家团队合作，展示了翅片沸石改善这种独特的固体催化剂系列性能的能力。

通过将翅片沸石与常规催化材料进行比力，他们发现带翅片的沸石的寿命几乎长了八倍。

Rimer说，鳍片的引入导致较短的内部扩散途径，并确保分子有效地到达反应部位，同时降低了碳基物质固定化的倾向。

这种积聚最终使催化剂失活。

斯德哥尔摩大学无机与结构化学教授邹晓东及其实验室成员进行了先进的3-D电子显微镜表征，以揭示鳍状晶体的孔结构，并确认鳍是下层晶体的延伸而不会产生。

内部传播的障碍。

邹说：“看到所有这数百个单独的纳米鳍与母体晶体摆列得多么好，真是令人惊讶。

”
乌特勒支大学由催化，能源和可持续性教授Bert Weckhuysen研究小组在实时研究分子筛催化剂方面，采用了其他最新技术。

这些测量结果证实了翅片沸石具有出色的延长催化剂活性的能力，远远超出了大型催化剂的能力。

Weckhuysen说，使用操作光谱学清楚地表白了鳍片的引入如安在催化过程中降低了外部焦炭的沉积量。

他说：“这大大延长了翅片沸石晶体的寿命。

”
UH化学和生物分子工程学助理教授Jeremy Palmer使用计算方法对翅片材料进行建模，并解释了新设计如何改善催化效果。

他说，研究人员曾期望翅片的性能会比标准尺寸的沸石催化剂好。

“但是，我们发现这不仅仅是10%或20%的改进。

这是效率的三倍。

改进的幅度对我们来说确实是一个惊喜。

”
化学工程和材料科学教授Paul Dauenhauer的研究小组以及约翰·霍普金斯大学化学和生物分子工程教授Michael Tsapatsis在明尼苏达大学的其他工作证实了翅片沸石的传质性能得到了增强。

UM研究人员使用一种新的方法跟踪分子在红外光下的扩散，结果表白，鳍片的分子传输速度比传统粒子快100到1000倍。

Dauenhauer说：“添加鳍片可以使分子进入发生化学反应的沸石通道内，但同时也可以使分子快速脱离颗粒，从而使它们可以运行更长的时间。

”
这一发现与工业在许多应用中具有直接的联系，包罗燃料的生产，塑料和聚合物的化学药品以及用于食品，药品和个人护理产品的分子反应。

Rimer说：“这项新发现的优点在于，它可以使用易于整合到现有合成工艺中的技术，广泛应用于各种沸石材料。

” “控制鳍片性能的能力可以为沸石催化剂的合理设计提供更大的灵活性。

”。