成千上万的化学过程所使用的能源工业和其他应用程序依赖于高速的催化反应,但分子经常分子却阻碍了交通堵塞,慢下来。现在，一种全新的多孔催化剂已经被发明出来，它使用独特的鳍片，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《自然材料》上。
这项突破主要集中在降低分子进入催化剂内部孔隙的障碍上。催化剂称为沸石，沸石是一种孔隙小于一纳米的铝硅酸盐。沸石广泛应用于工业生产中，作为固体催化剂，用于生产汽油和有附加值的化学品及其他产品。
在这些应用中，沸石孔内的化学反应首先要求分子找到催化剂颗粒外表面的少量开口。这就产生了一列分子，它们必须“排队”进入粒子，扩散到参与化学反应的活性部位，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颗粒。随着沸石变小，随着催化剂用量的增加，暴露气孔的表面积增加，使得分子进入气孔的机会增加。更小的粒子也减少了分子必须穿过粒子的内部距离。
然而，合成这些更小的沸石颗粒是昂贵的，并且所得到的颗粒对于实际应用往往效率太低。
为首的休斯顿大学的研究人员杰弗里扩孔器,亚伯拉罕·e·杜克勒化学和生物分子工程学教授开发了一种方法来诱发更大的催化剂粒子像纳米粒子——也就是说,让分子进入,引发反应迅速并退出,越来越突出,或鳍,催化剂颗粒的表面。通过加入从大颗粒外表面突出的纳米级翅片，粗糙的颗粒外表面的表面积显著增加，使分子更容易进入，并减少了传统沸石材料经常受到的运输限制。
“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的方式，以使鳍状结构的生长成为可能，”Rimer说。“这种新型材料不需要直接合成纳米颗粒，为沸石催化剂的设计创造了一个新的范例。”
Rimer与一组国际材料合成、表征和建模方面的专家合作，展示了鳍状沸石改善这一独特固体催化剂家族性能的能力。通过比较翅片沸石和传统催化材料，他们发现带翅片的沸石持续时间几乎是传统催化材料的8倍。Rimer说，鳍片的加入缩短了内部扩散途径，确保分子有效地到达反应位点，同时减少碳基生物被固定的倾向。这些物质最终会使催化剂失效。
邹,斯德哥尔摩大学无机化学和结构的教授和她的实验室成员进行先进的3 d电子显微镜表征解开翅片晶体的孔隙结构和证实,鳍是扩展潜在的水晶,没有创造障碍内部扩散。
邹说:“看到数百条纳米鳍与晶体母鱼完美地结合在一起，真是令人惊讶。”
乌得勒支大学催化、能源和可持续性教授Bert Weckhuysen的研究小组还研究了其他实时表征沸石催化剂的最新技术。这些测量结果证实了鳍状沸石在延长催化剂活性方面的特殊能力，大大超过了大型催化剂。
Weckhuysen说，operando光谱的使用清楚地显示了引入鳍片是如何在催化过程中降低外部焦炭沉积的数量的。“这大大延长了鳍状沸石晶体的使用寿命，”他说。
休斯敦大学化学和生物分子工程助理教授杰里米·帕尔默使用计算方法模拟翅片材料，并解释了新设计如何改进催化作用。
他说，研究人员曾期望这种鳍片比标准尺寸的沸石催化剂性能更好。但我们发现，这不仅仅是10%或20%的改善。效率提高了三倍。改善的幅度对我们来说真的是一个惊喜。”
在明尼苏达大学，化学工程和材料科学教授Paul Dauenhauer和约翰霍普金斯大学化学和生物分子工程教授Michael Tsapatsis的研究小组进一步证实了鳍状沸石的质量传输特性增强。利用红外光跟踪分子扩散的新方法，UM的研究人员证明，鳍片增强了分子的传输速度，比传统粒子快100到1000倍。
Dauenhauer说:“添加的鳍片可以让分子进入沸石的通道，化学反应就在这里发生，但也可以让分子迅速离开颗粒，这样可以让分子工作更长的时间。”
这一发现对工业的许多应用都有直接的影响，包括燃料的生产、塑料和聚合物的化学制品，以及为食品、药品和个人护理产品制造分子的反应。
Rimer说:“这项新发现的美妙之处在于，它有可能推广到广泛的沸石材料，使用的技术很容易融入到现有的合成过程中。”“在沸石催化剂的合理设计中，控制翅片特性的能力可以提供更大的灵活性。”
这项工作得到了美国能源部(U.S. Department of Energy)的支持，是其更大使命的一部分，还得到了多个国际资助机构的额外支持。
