Los investigadores descubren nuevos bloques de construcción de nanoporos de zeolita catalizadores
El trabajo ofrece avances en materiales para la energía limpia y la captura de carbono
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Los cristales de zeolita, utilizados entre otras cosas para refinar el petróleo a gasolina y la biomasa en biocombustibles, son los catalizadores más utilizados en peso en el planeta, y el descubrimiento de los mecanismos de cómo se forman ha sido de intenso interés para la industria química e investigadores relacionados, dicen el químico Scott Auerbach y sus colegas de la Universidad de Massachusetts Amherst. Esperan que su avance en una nueva forma de entender la estructura y las vibraciones de las zeolitas les lleve a nuevas zeolitas hechas a medida para su uso en nuevas y sofisticadas aplicaciones.
Los químicos y científicos de materiales de UMass Amherst tienen un conocimiento avanzado de la estructura del catalizador de zeolita y de las vibraciones para ayudar a crear nuevos materiales para la energía limpia y la captura de carbono, entre otras aplicaciones.
UMass Amherst/Auerbach lab
Su artículo de portada en un número del Journal of the American Chemical Society describe cómo el equipo utilizó análisis sistemáticos y una técnica llamada espectroscopia Raman, además de modelado mecánico cuántico, para descubrir nuevos bloques de construcción a nanoescala que llaman "puentes tricíclicos", para ayudar a explicar las estructuras porosas de las zeolitas y sus comportamientos dinámicos.
Auerbach dice: "Este avance es importante porque nos da una manera de ver lo invisible - las estructuras precisas que conducen a los cristales de zeolita. Esperamos que estos conocimientos estructurales nos ayuden a sintetizar nuevas zeolitas hechas a medida para aplicaciones avanzadas en energía limpia y captura de carbono". Entre sus coautores se encuentran el ingeniero químico Wei Fan y el primer autor Tongkun Wang de la UMass Amherst, junto con otros del Instituto Politécnico de Worcester.
Los autores dicen que al reemplazar los enfoques anteriores "demasiado simplistas", sus métodos pueden "mejorar nuestra capacidad de utilizar la espectroscopia Raman como una herramienta analítica para investigar la estructura y formación de las zeolitas, utilizando el concepto de puentes tricíclicos".
En este trabajo apoyado por la División de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Departamento de Energía de Estados Unidos, Auerbach y sus colegas dicen que revelar la síntesis de la zeolita es complicado por el hecho de que las estructuras precursoras son de tamaño medio, por lo que caen en un "punto ciego" de escala nano - demasiado grande para los análisis estructurales de nivel atómico y de grupos funcionales y demasiado desordenado para los análisis de rayos X. Por el contrario, la espectroscopia Raman "ha surgido como una poderosa herramienta para sondear estructuras de mediano alcance en una variedad de materiales", señalan.
Fan explica que hasta ahora los estudios experimentales sobre la síntesis de zeolitas con nuevas estructuras y composiciones se basaban en métodos de ensayo y error, y que caracterizar el proceso suponía un "reto tentador". Su contribución basada en los puentes tricíclicos proporciona una nueva herramienta para entender el camino de la cristalización, abriendo la puerta al diseño de materiales para aplicaciones avanzadas en catálisis y separaciones, afirman.
Además, señalan que "a menudo se asume con poca evidencia que los anillos Raman pueden ser asignados a anillos individuales de zeolita". Probaron esta suposición y descubrieron que los puentes tricíclicos -colecciones de tres anillos de zeolita conectados entre sí- juegan un papel crítico en la formación de la zeolita. Usando esto, descubrieron una relación precisa entre el ángulo de unión de la zeolita y la frecuencia Raman que puede ser usada para localizar las estructuras que se forman durante la cristalización de la zeolita.
En futuros trabajos, Auerbach, Fan y su equipo planean medir y modelar los espectros Raman durante el proceso de cristalización de las zeolitas, para determinar qué puentes tricíclicos están presentes y serán heredados por las zeolitas resultantes.
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