Cristaux de zéolithes, utilisé entre autres pour le raffinage du pétrole en essence et de la biomasse en biocarburants, sont les catalyseurs en poids les plus utilisés sur la planète, et la découverte des mécanismes de leur formation a suscité un vif intérêt pour l'industrie chimique et les chercheurs associés, disent le chimiste Scott Auerbach et ses collègues de l'Université du Massachusetts à Amherst. Ils espèrent que leur avancée sur une nouvelle façon de comprendre la structure et les vibrations de la zéolite mènera à de nouvelles, des zéolites sur mesure pour une utilisation dans de nouvelles applications sophistiquées.

Leur article de couverture dans un récent numéro du Journal de l'American Chemical Society décrit comment l'équipe a utilisé des analyses systématiques et une technique appelée spectroscopie Raman, plus la modélisation de la mécanique quantique, pour découvrir de nouveaux blocs de construction à l'échelle nanométrique qu'ils appellent « ponts tricycliques », " pour aider à expliquer les structures poreuses des zéolithes et leurs comportements dynamiques.

Auerbach dit, "Cette percée est importante car elle nous donne un moyen de voir l'invisible - les structures précises qui conduisent aux cristaux de zéolite. Nous espérons que ces informations structurelles nous aideront à synthétiser de nouvelles, des zéolites sur mesure pour des applications avancées dans l'énergie propre et la capture du carbone." Ses co-auteurs incluent l'ingénieur chimiste Wei Fan et le premier auteur Tongkun Wang à UMass Amherst, avec d'autres à l'Institut polytechnique de Worcester.

Les auteurs disent qu'en remplaçant les approches "trop ​​​​simplistes" précédentes, leurs méthodes peuvent « améliorer notre capacité à utiliser la spectroscopie Raman comme outil analytique pour étudier la structure et la formation de la zéolite, en utilisant le concept de ponts tricycliques."

Dans ce travail soutenu par la Division de la science et de l'ingénierie des matériaux du Département de l'énergie des États-Unis, Auerbach et ses collègues disent que la révélation de la synthèse de la zéolite est compliquée par le fait que les structures précurseurs sont de taille moyenne, ils tombent donc dans un "angle mort" à l'échelle nanométrique - trop grand pour les analyses structurelles au niveau atomique et de groupe fonctionnel et trop désordonné pour les analyses aux rayons X. Par contre, La spectroscopie Raman " est devenue un outil puissant pour sonder les structures à moyenne portée dans une variété de matériaux, " notent-ils.

Fan explique que jusqu'à présent, les études expérimentales sur la synthèse de zéolithes avec de nouvelles structures et compositions ont été basées sur des méthodes d'essais-erreurs, et caractériser le processus a posé un « défi alléchant ». Leur contribution basée sur les ponts tricycliques fournit un nouvel outil pour comprendre la voie de cristallisation, ouvrir la porte à la conception de matériaux pour des applications avancées en catalyse et séparations, ils déclarent.

Plus loin, ils soulignent qu'"il est souvent supposé avec peu de preuves que les bandes Raman peuvent être attribuées à des anneaux de zéolite individuels". Ils ont testé cette hypothèse et ont découvert que les ponts tricycliques (collections de trois anneaux de zéolite reliés entre eux) jouent un rôle essentiel dans la formation de la zéolite. En utilisant ceci, ils ont découvert une relation précise entre l'angle de liaison de la zéolite et la fréquence Raman qui peut être utilisée pour identifier les structures qui se forment pendant la cristallisation de la zéolite.

Dans les travaux futurs, Auerbach, Fan et son équipe prévoient de mesurer et de modéliser les spectres Raman pendant le processus de cristallisation de la zéolite, pour déterminer quels ponts tricycliques sont présents et seront hérités par les zéolites résultantes.