Migliaia di processi chimici utilizzati dall'industria energetica e per altre applicazioni si basano sull'elevata velocità delle reazioni catalitiche, ma le molecole sono spesso ostacolate da ingorghi molecolari che le rallentano. Ora è stata inventata una classe completamente nuova di catalizzatori porosi, utilizzando alette uniche per accelerare la chimica consentendo alle molecole di saltare le linee che limitano la reazione.

Questa scoperta è stata pubblicata in Materiali della natura , la principale rivista di scienza dei materiali.

La svolta si è concentrata sulla riduzione delle barriere per le molecole che accedono ai pori interni dei catalizzatori, chiamate zeoliti, alluminosilicati con pori più piccoli di un nanometro. Le zeoliti sono ampiamente utilizzate nei processi commerciali come catalizzatori solidi per la produzione di benzina e prodotti chimici a valore aggiunto e altri prodotti.

In queste applicazioni, la chimica all'interno dei pori della zeolite richiede innanzitutto che le molecole trovino il piccolo numero di aperture sulla superficie esterna delle particelle di catalizzatore. Questo crea una coda di molecole che devono "aspettare in fila" per entrare nella particella, diffuso al sito attivo coinvolto nella reazione chimica, e poi uscire dalla particella.

Un approccio per affrontare questi problemi di trasporto è stato quello di sintetizzare piccole nanoparticelle. Man mano che le zeoliti diventano più piccole, la quantità di superficie che espone i pori aumenta per quantità di materiale catalizzatore, che garantisce un maggiore accesso alle molecole che entrano nei pori. Le particelle più piccole riducono anche la distanza interna che le molecole devono percorrere attraverso la particella.

Però, la sintesi di queste particelle di zeolite più piccole è costosa, e le particelle risultanti sono spesso troppo inefficienti per applicazioni pratiche.

Ricercatori dell'Università di Houston, guidato da Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler Professore di ingegneria chimica e biomolecolare, sviluppato un modo per indurre particelle di catalizzatore più grandi a comportarsi come nanoparticelle, cioè, per permettere alle molecole di entrare, innesca una reazione ed esci rapidamente, da crescenti sporgenze, o pinne, sulle superfici delle particelle di catalizzatore. Aggiungendo alette su nanoscala che sporgono dalla superficie esterna di particelle di grandi dimensioni, l'esterno ruvido della particella è aumentato significativamente nell'area superficiale, garantendo alle molecole un maggiore accesso e riducendo i limiti di trasporto che spesso affliggono i materiali zeolitici convenzionali.

"Il nostro nuovo approccio di sintesi capitalizza il lavoro che svolgiamo nel nostro gruppo da molti anni, focalizzato sul controllo della cristallizzazione della zeolite in modi che consentano la crescita delle pinne, " Rimer ha detto. "Questa nuova classe di materiali aggira la necessità di sintetizzare direttamente le nanoparticelle, creando un nuovo paradigma nella progettazione di catalizzatori zeolitici."

Rimer ha lavorato con un team di esperti internazionali nella sintesi dei materiali, caratterizzazione e modellazione per dimostrare la capacità delle zeoliti alettate di migliorare le prestazioni di questa famiglia unica di catalizzatori solidi. Confrontando le zeoliti alettate con i materiali catalitici convenzionali, hanno dimostrato che le zeoliti con pinne duravano quasi otto volte di più. Rimer ha affermato che l'incorporazione delle pinne porta a percorsi di diffusione interna più brevi e garantisce che le molecole raggiungano in modo efficiente i siti di reazione riducendo la propensione delle specie a base di carbonio a rimanere immobilizzate. Questo accumulo alla fine disattiva il catalizzatore.

Xiaodong Zou, professore di chimica inorganica e strutturale all'Università di Stoccolma, e i membri del suo laboratorio hanno condotto una caratterizzazione avanzata di microscopia elettronica 3-D per svelare le strutture dei pori dei cristalli alettati e hanno confermato che le alette erano estensioni del cristallo sottostante e non creavano impedimenti per la diffusione interna.

"È incredibile vedere come tutte queste centinaia di singole nanopinne siano allineate con il cristallo genitore, " Disse Zou.

Ulteriori tecniche all'avanguardia per caratterizzare i catalizzatori zeolitici in tempo reale sono state eseguite presso l'Università di Utrecht dal gruppo di ricerca di Bert Weckhuysen, professore di catalisi, energia e sostenibilità. Queste misurazioni hanno confermato l'eccezionale capacità delle zeoliti alettate di prolungare l'attività del catalizzatore ben oltre quella dei catalizzatori più grandi.

Weckhuysen ha affermato che l'uso della spettroscopia operando ha mostrato chiaramente come l'introduzione delle alette abbia abbassato la quantità di depositi di coke esterni durante la catalisi. "Ciò ha sostanzialmente aumentato la durata dei cristalli di zeolite alettata, " Egli ha detto.

Jeremy Palmer, assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso l'UH, ha utilizzato metodi computazionali per modellare i materiali alettati e spiegare come funziona il nuovo design per migliorare la catalisi.

I ricercatori si aspettavano che le alette avrebbero funzionato meglio di un catalizzatore di zeolite di dimensioni standard, Egli ha detto. "Ma abbiamo scoperto che non si trattava solo di un miglioramento del 10% o del 20%. Si trattava di una triplicazione dell'efficienza. L'entità del miglioramento è stata una vera sorpresa per noi".

Ulteriori lavori presso l'Università del Minnesota dal gruppo di ricerca di Paul Dauenhauer, professore di ingegneria chimica e scienza dei materiali, e da Michael Tsapatsis, professore di ingegneria chimica e biomolecolare alla Johns Hopkins University, hanno confermato le migliorate proprietà di trasporto di massa delle zeoliti alettate. Utilizzando un nuovo metodo per tracciare la diffusione delle molecole mediante luce infrarossa, i ricercatori della UM hanno dimostrato che le pinne migliorano il trasporto delle molecole tra 100 e 1, 000 volte più veloce delle particelle convenzionali.

"L'aggiunta di alette consente alle molecole di entrare nei canali delle zeoliti dove avviene la chimica, ma consente anche alle molecole di uscire rapidamente dalla particella, che consente loro di operare per un periodo di tempo molto più lungo, " Disse Dauenhauer.

La scoperta ha rilevanza immediata per l'industria per una serie di applicazioni, compresa la produzione di combustibili, prodotti chimici per plastiche e polimeri, e reazioni che producono molecole per il cibo, medicinali e prodotti per la cura della persona.

"La bellezza di questa nuova scoperta è la sua potenziale generalizzazione a una vasta gamma di materiali zeolitici, utilizzando tecniche facili da incorporare nei processi di sintesi esistenti, " Ha detto Rimer. "La capacità di controllare le proprietà delle alette potrebbe consentire una flessibilità molto maggiore nella progettazione razionale dei catalizzatori zeolitici".