Gli aromatici sono i principali elementi costitutivi dei polimeri, o plastica, che si presenta come tutto, dalle bottiglie in PET per l'acqua alle traspiranti, indumenti in poliestere antipiega. Questi prodotti petrolchimici comprendono un settore specializzato, settore a valore aggiunto dell'industria energetica. Il processo per raffinare il petrolio greggio in flussi aromatici utili per l'uso di derivati ​​spesso comporta l'uso di un catalizzatore per facilitare le reazioni chimiche. Tra i vari tipi di catalizzatori, molti sono zeoliti, alluminosilicati porosi, come ZSM-5, una zeolite sintetica unica prolificamente utilizzata nell'upgrading di sostanze chimiche nell'alchilazione e nell'isomerizzazione. I produttori di prodotti petrolchimici cercano costantemente di ridurre al minimo i costi generali per superare la volatilità dei mercati delle materie prime e fornire un prodotto finale competitivo alla persona media.

Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler Professore all'Università di Houston Cullen College of Engineering e Javier Garcia-Martinez, professore di chimica inorganica all'Università di Alicante, hanno scoperto un metodo di semina che semplifica il processo di sintesi e porta alla formazione spontanea di zeoliti. L'opera è pubblicata in Materiale avanzato . Il processo si traduce in più concentrato di alluminio nella zeolite e in una struttura cristallina unica per facilitare le reazioni chimiche con un ridotto accumulo di carbonio.

"Questa nuova tecnica ha il vantaggio di produrre fogli ben formati più spessi, che è importante per produrre materiali altamente stabili, una caratteristica importante nella maggior parte delle applicazioni rilevanti a livello industriale, ", ha detto Martinez.

"Questi catalizzatori gerarchici mostrano un miglioramento senza precedenti nelle prestazioni dei catalizzatori con tassi di disattivazione 4 volte inferiori, quintuplicate l'attività e quasi raddoppiate la selettività, "Secondo Rimer.

Nell'industria, I produttori petrolchimici spesso devono fare dei turnaround ogni due anni circa per rigenerare un catalizzatore o sostituirlo del tutto. Negli Stati Uniti, tra la fine del primo trimestre e l'inizio del secondo trimestre di solito molti raffinatori impiegano un periodo di manutenzione da due settimane a due mesi per adattarsi a questo. Durante quel periodo, si perdono produzione e profitto, e mentre questi catalizzatori zeolitici gerarchici migliorati non porranno fine del tutto ai turnaround, la loro dimensione più piccola ma stabile di 30-60 nanometri fornisce l'alluminio, siti attivi per la catalisi, paragonabile allo ZSM-5 commerciale. Però, le loro piccole dimensioni migliorano contemporaneamente la selettività e riducono l'accumulo di carbonio. Ciò suggerisce periodi più lunghi tra i tempi di consegna costosi e l'aumento della resa.

Le implicazioni di questo studio si estendono a una migliore comprensione della nucleazione della zeolite - o prima osservazione di un cristallo - e puntano verso un nuovo processo per la creazione di zeoliti a pilastri senza costosi agenti direttivi della struttura organica (OSDA). Le zeoliti con strutture gerarchiche (pilastri) sono state preparate in precedenza solo con OSDA, che operano come modelli per formare queste strutture uniche.

"Fino ad ora, Si riteneva che gli OSDA fossero fondamentali per la sintesi di zeoliti a pilastri, fungendo da modelli per facilitare la formazione di sottili nanofogli interconnessi, "Rimer ha detto." Ma come abbiamo osservato in questo processo di semina, questi nanofogli di 30-60 nanometri sono emersi da materiale amorfo e hanno formato pilastri senza alcun modello".

"I precedenti tentativi di produrre questi catalizzatori richiedevano costosi agenti organici e in genere si ottenevano basse rese, che ne limitava fortemente l'applicazione commerciale, " ha detto Martinez.

La semina si è rivelata determinante nella sintesi di zeoliti a pilastri con prestazioni catalitiche migliorate nell'alchilazione di Friedel-Craft e nelle reazioni da metanolo a idrocarburi. Questo approccio di sintesi aggira il tipico processo ad alta intensità energetica dell'utilizzo di OSDA. I prodotti organici precedentemente ritenuti essenziali per la creazione di zeoliti che possono essere utilizzati commercialmente non sono più necessari.

I prossimi passi per questo progetto includono l'aumento del processo per mostrare se questo catalizzatore di zeolite migliorato può replicare le sue prestazioni su scala industriale. Questa ricerca funge anche da trampolino di lancio per esplorare ulteriormente le implicazioni della semina per produrre altre zeoliti con strutture uniche e prestazioni eccezionali in applicazioni commerciali.