p Milhares de processos químicos usados ​​pela indústria de energia e para outras aplicações dependem da alta velocidade das reações catalíticas, mas as moléculas frequentemente são prejudicadas por congestionamentos moleculares que as tornam lentas. Agora, uma classe inteiramente nova de catalisadores porosos foi inventada, usando aletas exclusivas para acelerar a química, permitindo que as moléculas pulem as linhas que limitam a reação. p Esta descoberta foi publicada em Materiais da Natureza , o principal jornal da ciência dos materiais.

p A descoberta se concentrou na redução das barreiras para as moléculas que acessam os poros internos dos catalisadores, chamados zeólitos - aluminossilicatos com poros menores que um nanômetro. Os zeólitos são amplamente usados ​​em processos comerciais como catalisadores sólidos para a produção de gasolina e produtos químicos de valor agregado e outros produtos.

p Nesses aplicativos, a química dentro dos poros do zeólito requer primeiro que as moléculas encontrem o pequeno número de aberturas na superfície externa das partículas do catalisador. Isso cria uma fila de moléculas que devem "esperar na fila" para entrar na partícula, difundir para o sítio ativo envolvido na reação química, e então saia da partícula.

p Uma abordagem para resolver esses problemas de transporte tem sido sintetizar pequenas nanopartículas. À medida que os zeólitos ficam menores, a quantidade de área de superfície expondo os poros aumenta por quantidade de material de catalisador, o que garante maior acesso às moléculas que entram nos poros. Partículas menores também reduzem a distância interna que as moléculas devem viajar através da partícula.

p Contudo, a síntese dessas partículas menores de zeólita é cara, e as partículas resultantes são freqüentemente muito ineficientes para aplicações práticas.

p Pesquisadores da Universidade de Houston, liderado por Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler Professor de engenharia química e biomolecular, desenvolveu uma maneira de induzir partículas maiores de catalisador a se comportar como nanopartículas, isto é, para permitir a entrada de moléculas, desencadeia uma reação e sai rapidamente, aumentando as saliências, ou barbatanas, nas superfícies das partículas do catalisador. Ao adicionar aletas em nanoescala que se projetam da superfície externa de partículas grandes, o exterior áspero da partícula aumentou significativamente na área de superfície, a concessão de moléculas aumenta o acesso e reduz as limitações de transporte que frequentemente afetam os materiais zeólitos convencionais.

p "Nossa nova abordagem de síntese capitaliza o trabalho que temos feito em nosso grupo há muitos anos, focada no controle da cristalização da zeólita de forma a permitir o crescimento das nadadeiras, "Disse Rimer." Esta nova classe de materiais contorna a necessidade de sintetizar nanopartículas diretamente, criando um novo paradigma em design de catalisador zeólito. "

p Rimer trabalhou com uma equipe de especialistas internacionais em síntese de materiais, caracterização e modelagem para demonstrar a capacidade das zeólitas aletadas de melhorar o desempenho desta família única de catalisadores sólidos. Ao comparar zeólitas com aletas com materiais catalíticos convencionais, eles mostraram que os zeólitos com barbatanas duraram quase oito vezes mais. Rimer disse que a incorporação de barbatanas leva a vias de difusão interna mais curtas e garante que as moléculas alcancem com eficiência os locais de reação, ao mesmo tempo que reduz a propensão das espécies baseadas em carbono de se tornarem imobilizadas. Essa acumulação, em última análise, desativa o catalisador.

p Xiaodong Zou, professor de química inorgânica e estrutural na Universidade de Estocolmo, e membros de seu laboratório conduziram a caracterização de microscopia eletrônica 3-D avançada para desvendar as estruturas dos poros dos cristais aletados e confirmaram que as aletas eram extensões do cristal subjacente e não criavam impedimentos para a difusão interna.

p "É incrível ver como todas essas centenas de nanofins individuais estão alinhadas com o cristal original, "Zou disse.

p Outras técnicas de ponta para caracterizar catalisadores de zeólita em tempo real foram realizadas na Universidade de Utrecht pelo grupo de pesquisa de Bert Weckhuysen, professor de catálise, energia e sustentabilidade. Essas medições confirmaram a capacidade excepcional das zeólitas aletadas de prolongar a atividade do catalisador muito além da de catalisadores maiores.

p Weckhuysen disse que o uso de espectroscopia operando mostrou claramente como a introdução de aletas reduziu a quantidade de depósitos externos de coque durante a catálise. "Isso aumentou substancialmente a vida útil dos cristais de zeólita com aletas, " ele disse.

p Jeremy Palmer, professor assistente de engenharia química e biomolecular na UH, usou métodos computacionais para modelar materiais com aletas e explicar como o novo projeto funciona para melhorar a catálise.

p Os pesquisadores esperavam que as aletas tivessem um desempenho melhor do que um catalisador de zeólita de tamanho padrão, ele disse. "Mas descobrimos que não era apenas uma melhoria de 10% ou 20%. Foi uma triplicação de eficiência. A magnitude da melhoria foi uma verdadeira surpresa para nós."

p Trabalho adicional na Universidade de Minnesota pelo grupo de pesquisa de Paul Dauenhauer, professor de engenharia química e ciência dos materiais, e por Michael Tsapatsis, professor de engenharia química e biomolecular na Universidade Johns Hopkins, confirmou as propriedades aprimoradas de transporte de massa de zeólitas com barbatanas. Usando um novo método para rastrear a difusão de moléculas por luz infravermelha, os pesquisadores da UM demonstraram que as barbatanas aumentaram o transporte de moléculas entre 100 e 1, 000 vezes mais rápido do que as partículas convencionais.

p “A adição de barbatanas permite que as moléculas entrem nos canais dos zeólitos onde a química acontece, mas também permite que as moléculas saiam rapidamente da partícula, o que os permite operar por um período de tempo muito mais longo, “Disse Dauenhauer.

p A descoberta tem relevância imediata para a indústria para uma série de aplicativos, incluindo a produção de combustíveis, produtos químicos para plásticos e polímeros, e reações que fazem moléculas para os alimentos, medicamentos e produtos de higiene pessoal.

p "A beleza desta nova descoberta é a sua generalização potencial para uma ampla gama de materiais zeólitos, usando técnicas que são fáceis de incorporar nos processos de síntese existentes, "Rimer disse." A capacidade de controlar as propriedades das barbatanas pode permitir uma flexibilidade muito maior no projeto racional de catalisadores de zeólita. "