休斯顿大学的珍妮·凯文 三维鳍状沸石催化剂增强了分子进入颗粒内部的能力
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朝圣者 能源工业和其他应用中使用的成千上万的化学过程依赖于高速的催化反应，但是分子经常被分子交通堵塞所阻碍，从而使它们变慢
现在，一种全新的多孔催化剂被发明出来，它使用独特的翅片，通过允许分子跳过限制反应的线来加速化学反应
这一发现发表在领先的材料科学杂志《自然材料》上
这一突破的重点是减少分子进入催化剂内部孔隙的障碍，这种孔隙被称为沸石——孔隙小于一纳米的铝硅酸盐
沸石在商业过程中被广泛用作生产汽油和增值化学品及其他产品的固体催化剂
在这些应用中，沸石孔内的化学首先需要分子在催化剂颗粒的外表面找到少量的开口
这就形成了一个分子队列，它们必须“排队”才能进入粒子，扩散到参与化学反应的活性位点，然后离开粒子
解决这些运输问题的一种方法是合成小的纳米粒子
随着沸石变得越来越小，暴露孔的表面积随着催化剂材料量的增加而增加，这使得进入孔的分子增加
较小的粒子也减少了分子必须穿过粒子的内部距离
然而，这些较小沸石颗粒的合成是昂贵的，并且所得颗粒对于实际应用来说通常效率太低
由杰弗里·里默、亚伯拉罕·E
化学和生物分子工程的杜克勒教授开发了一种诱导较大的催化剂颗粒表现得像纳米颗粒的方法——也就是说，通过在催化剂颗粒表面生长突起或翅片，允许分子进入，引发反应并快速离开
通过添加从大颗粒的外表面突出的纳米级翅片，颗粒的粗糙外部的表面积显著增加，使得分子更容易接近，并减少了通常困扰传统沸石材料的运输限制
里默说:“我们的新合成方法利用了我们团队多年来所做的工作，专注于控制沸石结晶，以促进鳍的生长。”
“这种新型材料绕过了直接合成纳米粒子的需要，创造了沸石催化剂设计的新范例
" Rimer与一组材料合成、表征和建模方面的国际专家合作，展示了鳍状沸石改善这一独特固体催化剂系列性能的能力
通过将鳍状沸石与常规催化材料进行比较，他们发现鳍状沸石的寿命几乎是常规沸石的八倍
里默说，翅片的引入缩短了内部扩散路径，确保分子有效地到达反应位点，同时降低了碳基物种被固定的倾向
这种积累最终会使催化剂失活
斯德哥尔摩大学无机和结构化学教授邹晓东和她的实验室成员进行了先进的三维电子显微镜表征，以揭示鳍状晶体的孔隙结构，并确认鳍状晶体是底层晶体的延伸，不会对内部扩散造成阻碍
邹说:“看到所有这数百个单独的纳米颗粒与母体晶体排列得如此之好，真是令人惊讶。”
在乌特勒支大学，催化、能源和可持续性教授伯特·韦克胡伊森的研究小组采用了额外的最先进的技术来实时表征沸石催化剂
这些测量证实了鳍状沸石延长催化剂活性的特殊能力，远远超过较大的催化剂
威克胡森说，操作光谱学的使用清楚地表明了翅片的引入如何降低催化过程中外部焦炭沉积的量
“这大大延长了鳍状沸石晶体的寿命，”他说
密歇根大学化学和生物分子工程助理教授杰里米·帕尔默用计算方法模拟了鳍状材料，并解释了新设计是如何改善催化作用的
他说，研究人员曾预计翅片的性能会优于标准尺寸的沸石催化剂
“但我们发现这不仅仅是10%或20%的改善
这是效率的三倍
改进的幅度对我们来说是一个真正的惊喜
" 明尼苏达大学化学工程和材料科学教授保罗·道恩豪尔和约翰·霍普金斯大学化学和生物分子工程教授迈克尔·察帕西的研究小组的其他工作证实了鳍状沸石的增强的质量传递特性
使用一种新的方法通过红外光来跟踪分子扩散，密歇根大学的研究人员证明了鳍状物增强分子传输的速度比传统粒子快100到1000倍
多恩豪尔说:“翅片的增加使分子进入化学反应发生的沸石通道，但也使分子快速离开颗粒，这使它们可以运行更长的时间。”
这一发现直接关系到工业的许多应用，包括燃料生产、塑料和聚合物的化学制品，以及制造食品、医药和个人护理产品分子的反应
“这一新发现的美妙之处在于它潜在的推广到广泛的沸石材料，使用的技术很容易结合到现有的合成过程中，”里默说
“控制翅片性能的能力可以为沸石催化剂的合理设计提供更大的灵活性
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