Forscher entdecken neue Bausteine von Katalysator-Zeolith-Nanoporen
Die Arbeiten bieten Fortschritte bei Materialien für saubere Energie und Kohlenstoffabscheidung
Zeolith-Kristalle, die unter anderem für die Raffination von Erdöl zu Benzin und Biomasse zu Biokraftstoffen verwendet werden, sind die nach Gewicht am meisten verwendeten Katalysatoren auf dem Planeten. Die Entdeckung der Mechanismen, wie sie sich bilden, ist von intensivem Interesse für die chemische Industrie und verwandte Forscher gewesen, sagen der Chemiker Scott Auerbach und seine Kollegen von der University of Massachusetts Amherst. Sie hoffen, dass ihr Fortschritt auf einem neuen Weg zum Verständnis der Zeolithstruktur und der Schwingungen zu neuen, maßgeschneiderten Zeolithen für den Einsatz in anspruchsvollen neuen Anwendungen führt.
Die Chemiker und Materialwissenschaftler von UMass Amherst haben das Verständnis der Struktur und der Schwingungen von Zeolith-Katalysatoren erweitert, um u.a. zu neuen Materialien für saubere Energie und Kohlenstoffabscheidung zu führen.
UMass Amherst/Auerbach lab
Ihre Titelgeschichte in einer Ausgabe des Journal of the American Chemical Society beschreibt, wie das Team systematische Analysen und eine Technik namens Raman-Spektroskopie sowie quantenmechanische Modellierung einsetzte, um neue Bausteine auf der Nanoskala zu entdecken, die sie "Dreizyklusbrücken" nennen, um die porösen Strukturen der Zeolithe und ihr dynamisches Verhalten zu erklären.
Auerbach sagt: "Dieser Durchbruch ist wichtig, weil er uns die Möglichkeit gibt, das Unsichtbare zu sehen - die genauen Strukturen, die zu Zeolithkristallen führen. Wir hoffen, dass solche strukturellen Erkenntnisse uns helfen werden, neue, maßgeschneiderte Zeolithe für fortgeschrittene Anwendungen in den Bereichen saubere Energie und Kohlenstoffabscheidung zu synthetisieren. Zu seinen Koautoren gehören der Chemieingenieur Wei Fan und der Erstautor Tongkun Wang an der UMass Amherst, mit anderen am Worcester Polytechnic Institute.
Die Autoren sagen, dass ihre Methoden, indem sie die bisherigen "allzu simplen" Ansätze ersetzen, "unsere Fähigkeit verbessern können, die Raman-Spektroskopie als analytisches Werkzeug zur Untersuchung der Struktur und Bildung von Zeolithen zu nutzen, indem sie das Konzept der Dreizyklusbrücken verwenden".
In dieser vom U.S. Department of Energy Division of Materials Science and Engineering unterstützten Arbeit sagen Auerbach und Kollegen, dass die Aufdeckung der Zeolithsynthese dadurch erschwert wird, dass die Vorläuferstrukturen mittelgroß sind, so dass sie in einen nanoskaligen "blinden Fleck" fallen - zu groß für Strukturanalysen auf atomarer Ebene und funktionelle Gruppen und zu ungeordnet für Röntgenanalysen. Im Gegensatz dazu hat sich die Raman-Spektroskopie "zu einem leistungsfähigen Werkzeug zur Untersuchung von Strukturen mittlerer Reichweite in einer Vielzahl von Materialien entwickelt", stellen sie fest.
Fan erklärt, dass bisher experimentelle Studien zur Synthese von Zeolithen mit neuen Strukturen und Zusammensetzungen auf Trial-and-Error-Methoden beruhten und die Charakterisierung des Prozesses eine "verlockende Herausforderung" darstellte. Ihr Beitrag, der auf dreizyklischen Brücken basiert, stellt ein neues Werkzeug zum Verständnis des Kristallisationsweges dar und öffnet die Tür zum Design von Materialien für fortgeschrittene Anwendungen in der Katalyse und Trennung, erklären sie.
Weiter weisen sie darauf hin, dass "oft mit wenig Beweisen angenommen wird, dass Raman-Bänder einzelnen Zeolith-Ringen zugeordnet werden können". Sie testeten diese Annahme und stellten fest, dass trizyklische Brücken - Ansammlungen von drei miteinander verbundenen Zeolith-Ringen - eine entscheidende Rolle bei der Zeolith-Bildung spielen. Damit entdeckten sie eine genaue Beziehung zwischen dem Bindungswinkel des Zeolithen und der Raman-Frequenz, die sich zur Bestimmung von Strukturen, die sich bei der Kristallisation des Zeolithen bilden, nutzen lässt.
Für die Zukunft planen Auerbach, Fan und ihr Team die Messung und Modellierung von Raman-Spektren während des Kristallisationsprozesses von Zeolithen, um zu bestimmen, welche Dreiring-Brücken vorhanden sind und an die entstehenden Zeolithe vererbt werden.
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