Les aromatiques sont les principaux éléments constitutifs des polymères, ou plastiques, qui se présentent comme tout, des bouteilles en PET pour l'eau aux respirables, vêtements en polyester infroissable. Ces pétrochimies constituent une filière spécialisée, secteur à valeur ajoutée de l'industrie de l'énergie. Le procédé de raffinage du pétrole brut en flux aromatiques utiles pour une utilisation dérivée implique souvent l'utilisation d'un catalyseur pour faciliter les réactions chimiques. Parmi les différents types de catalyseurs, beaucoup sont des zéolites - aluminosilicates poreux - comme la ZSM-5, une zéolite synthétique unique largement utilisée dans l'amélioration des produits chimiques dans l'alkylation et l'isomérisation. Les producteurs de produits pétrochimiques cherchent constamment à minimiser les frais généraux pour résister à la volatilité des marchés des matières premières et fournir un produit final compétitif à la personne moyenne.

Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler Professeur à l'Université de Houston Cullen College of Engineering et Javier Garcia-Martinez, professeur de chimie inorganique à l'Université d'Alicante, ont découvert une méthode d'ensemencement qui simplifie le processus de synthèse et aboutit à un pillage spontané des zéolithes. L'ouvrage est publié dans Matériaux avancés . Le processus donne plus de concentré d'aluminium dans la zéolite et une structure cristalline unique pour faciliter les réactions chimiques avec une accumulation réduite de carbone.

"Cette nouvelle technique a l'avantage de produire des feuilles bien formées plus épaisses, ce qui est important pour produire des matériaux très stables - une caractéristique importante dans la plupart des applications industrielles pertinentes, " a déclaré Martinez.

"Ces catalyseurs hiérarchiques montrent une amélioration sans précédent des performances du catalyseur avec des taux de désactivation 4 fois inférieurs, un quintuple d'activité et presque deux fois plus de sélectivité, " selon Rimer.

Dans l'industrie, les producteurs pétrochimiques doivent souvent effectuer des révisions tous les deux ans environ pour régénérer un catalyseur ou le remplacer complètement. Aux Etats-Unis, La fin du premier trimestre au début du deuxième trimestre voit généralement plusieurs raffineurs prendre une période de maintenance de deux semaines à deux mois pour s'adapter à cela. Pendant ce temps, la production et le profit sont perdus, et bien que ces catalyseurs zéolithiques hiérarchiques améliorés ne mettent pas complètement fin aux redressements, leur taille plus petite mais stable de 30 à 60 nanomètres fournit de l'aluminium, des sites actifs pour la catalyse, comparable à la ZSM-5 commerciale. Cependant, leur petite taille améliore simultanément la sélectivité et réduit l'accumulation de carbone. Cela laisse présager des périodes plus longues entre des délais d'exécution coûteux et un rendement accru.

Les implications de cette étude s'étendent à une meilleure compréhension de la nucléation de la zéolite - ou de la première observation d'un cristal - et pointent vers un nouveau processus de création de zéolites à piliers sans agents de direction de structure organiques (OSDA) coûteux. Les zéolithes à structures hiérarchiques (en piliers) ont été préparées auparavant uniquement avec des OSDA, qui fonctionnent comme des modèles pour former ces structures uniques.

"Jusqu'à maintenant, Les OSDA étaient considérés comme essentiels à la synthèse des zéolites à piliers, servant de gabarits pour faciliter la formation de fines nanofeuillets interconnectés, " Rimer a dit." Mais comme nous l'avons observé dans ce processus d'ensemencement, ces nanofeuillets de 30 à 60 nanomètres ont émergé d'un matériau amorphe et ont formé des piliers sans aucun gabarit."

"Les tentatives précédentes pour produire ces catalyseurs nécessitaient des agents organiques coûteux et de faibles rendements étaient généralement obtenus, ce qui a fortement limité leur application commerciale, ", a déclaré Martinez.

L'ensemencement s'est avéré déterminant dans la synthèse de zéolites à piliers avec une amélioration des performances catalytiques dans les réactions d'alkylation de Friedel-Craft et de méthanol en hydrocarbures. Cette approche de synthèse contourne le processus énergivore typique d'utilisation des OSDA. Les matières organiques considérées auparavant comme essentielles pour créer des zéolites pouvant être utilisées commercialement ne sont finalement plus nécessaires.

Les prochaines étapes de ce projet comprennent l'extension du processus pour montrer si ce catalyseur de zéolite amélioré peut reproduire ses performances à l'échelle de l'industrie. Cette recherche sert également de tremplin pour explorer davantage les implications de l'ensemencement pour produire d'autres zéolites avec des structures uniques et des performances exceptionnelles dans des applications commerciales.