Des milliers de procédés chimiques utilisés par l'industrie énergétique et pour d'autres applications reposent sur la grande vitesse des réactions catalytiques, mais les molécules sont fréquemment entravées par des embouteillages moléculaires qui les ralentissent. Maintenant, une toute nouvelle classe de catalyseurs poreux a été inventée, en utilisant des ailettes uniques pour accélérer la chimie en permettant aux molécules de sauter les lignes qui limitent la réaction.

Cette découverte a été publiée dans Matériaux naturels , la principale revue de science des matériaux.

La percée s'est concentrée sur la réduction des barrières pour les molécules accédant aux pores intérieurs des catalyseurs, appelées zéolites - aluminosilicates avec des pores plus petits qu'un nanomètre. Les zéolites sont largement utilisées dans les procédés commerciaux en tant que catalyseurs solides pour la production d'essence, de produits chimiques à valeur ajoutée et d'autres produits.

Dans ces applications, la chimie dans les pores de la zéolite nécessite d'abord que les molécules trouvent le petit nombre d'ouvertures sur la surface extérieure des particules de catalyseur. Cela crée une file d'attente de molécules qui doivent "attendre en ligne" pour entrer dans la particule, diffuser vers le site actif impliqué dans la réaction chimique, puis sortir de la particule.

Une approche pour résoudre ces problèmes de transport a été de synthétiser de petites nanoparticules. Au fur et à mesure que les zéolites deviennent plus petites, la quantité de surface exposant les pores augmente par quantité de matériau catalyseur, qui accorde un accès accru aux molécules entrant dans les pores. Les particules plus petites réduisent également la distance interne que les molécules doivent parcourir à travers la particule.

Cependant, la synthèse de ces plus petites particules de zéolithe est coûteuse, et les particules résultantes sont souvent trop inefficaces pour des applications pratiques.

Des chercheurs de l'Université de Houston, dirigé par Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler Professeur de génie chimique et biomoléculaire, développé un moyen d'induire des particules de catalyseur plus grosses à se comporter comme des nanoparticules, c'est-à-dire pour permettre aux molécules d'entrer, déclencher une réaction et sortir rapidement, par des saillies croissantes, ou des nageoires, sur les surfaces des particules de catalyseur. En ajoutant des ailettes nanométriques qui dépassent de la surface externe des grosses particules, l'extérieur rugueux de la particule a considérablement augmenté en surface, accorder aux molécules un accès accru et réduire les limitations de transport qui affectent fréquemment les matériaux de zéolite conventionnels.

"Notre nouvelle approche de synthèse capitalise sur le travail que nous menons dans notre groupe depuis de nombreuses années, axé sur le contrôle de la cristallisation de la zéolite de manière à permettre la croissance des ailettes, " dit Rimer. " Cette nouvelle classe de matériaux contourne la nécessité de synthétiser directement des nanoparticules, créant un nouveau paradigme dans la conception de catalyseurs à base de zéolite."

Rimer a travaillé avec une équipe d'experts internationaux en synthèse de matériaux, caractérisation et modélisation pour démontrer la capacité des zéolithes à ailettes à améliorer les performances de cette famille unique de catalyseurs solides. En comparant les zéolithes à ailettes avec les matériaux catalytiques classiques, ils ont montré que les zéolites à ailettes duraient presque huit fois plus longtemps. Rimer a déclaré que l'incorporation d'ailettes conduit à des voies de diffusion interne plus courtes et garantit que les molécules atteignent efficacement les sites de réaction tout en réduisant la propension des espèces à base de carbone à s'immobiliser. Cette accumulation désactive finalement le catalyseur.

Xiaodong Zou, professeur de chimie inorganique et structurale à l'Université de Stockholm, et des membres de son laboratoire ont effectué une caractérisation avancée par microscopie électronique 3D pour démêler les structures de pores des cristaux à ailettes et ont confirmé que les ailettes étaient des extensions du cristal sous-jacent et ne créaient pas d'obstacles à la diffusion interne.

"C'est incroyable de voir à quel point toutes ces centaines de nanofines individuelles sont alignées avec le cristal parent, " dit Zo.

Des techniques de pointe supplémentaires pour caractériser les catalyseurs zéolitiques en temps réel ont été réalisées à l'Université d'Utrecht par le groupe de recherche de Bert Weckhuysen, professeur de catalyse, énergie et durabilité. Ces mesures ont confirmé la capacité exceptionnelle des zéolites à ailettes à prolonger l'activité du catalyseur bien au-delà de celle des catalyseurs plus gros.

Weckhuysen a déclaré que l'utilisation de la spectroscopie operando montrait clairement comment l'introduction d'ailettes réduisait la quantité de dépôts de coke externes pendant la catalyse. "Cela a considérablement augmenté la durée de vie des cristaux de zéolite à ailettes, " il a dit.

Jérémy Palmer, professeur assistant de génie chimique et biomoléculaire à l'UH, utilisé des méthodes de calcul pour modéliser les matériaux à ailettes et expliquer comment la nouvelle conception fonctionne pour améliorer la catalyse.

Les chercheurs s'attendaient à ce que les ailettes fonctionnent mieux qu'un catalyseur à base de zéolite de taille standard, il a dit. "Mais nous avons découvert qu'il ne s'agissait pas seulement d'une amélioration de 10 ou 20 %. C'était un triplement de l'efficacité. L'ampleur de l'amélioration nous a vraiment surpris."

Travaux complémentaires à l'Université du Minnesota par le groupe de recherche de Paul Dauenhauer, professeur de génie chimique et science des matériaux, et par Michael Tsapatsis, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'Université Johns Hopkins, ont confirmé les propriétés améliorées de transport de masse des zéolites à ailettes. En utilisant une nouvelle méthode pour suivre la diffusion des molécules par la lumière infrarouge, les chercheurs de l'UM ont démontré que les nageoires amélioraient le transport des molécules entre 100 et 1, 000 fois plus rapide que les particules conventionnelles.

"L'ajout d'ailettes permet aux molécules de pénétrer à l'intérieur des canaux des zéolithes où se produit la chimie, mais il permet aussi aux molécules de sortir rapidement de la particule, ce qui leur permet de fonctionner pendant une période beaucoup plus longue, " a déclaré Dauenhauer.

La découverte a une pertinence immédiate pour l'industrie pour une multitude d'applications, y compris la production de carburants, produits chimiques pour plastiques et polymères, et des réactions qui fabriquent des molécules pour la nourriture, médicaments et produits de soins personnels.

"La beauté de cette nouvelle découverte est sa généralisation potentielle à une large gamme de matériaux zéolithiques, en utilisant des techniques faciles à intégrer dans les procédés de synthèse existants, " a déclaré Rimer. " La capacité de contrôler les propriétés des ailettes pourrait permettre une plus grande flexibilité dans la conception rationnelle des catalyseurs zéolitiques. "