22.09.2021 - University of Illinois at Urbana-Champaign

Winzige poröse Kristalle verändern die Form des Wassers, um chemische Reaktionen zu beschleunigen

Neuer Ansatz könnte dazu beitragen, dass Chemiehersteller von schädlichen Lösungsmittelkatalysatoren wegkommen und stattdessen auf Wasser setzen

Chemieingenieure der University of Illinois Urbana-Champaign wissen jetzt, wie sich Wassermoleküle in bestimmten Situationen zusammensetzen und ihre Form verändern, und haben damit eine neue Strategie zur Beschleunigung chemischer Reaktionen entwickelt, die für die Industrie und die ökologische Nachhaltigkeit von entscheidender Bedeutung sind. Der neue Ansatz könnte dazu beitragen, dass Chemiehersteller von schädlichen Lösungsmittelkatalysatoren wegkommen und stattdessen Wasser verwenden.

Die Methode nutzt die Löcher, Tunnel und Durchgänge in mikroporösen Kristallen im Nanomaßstab, den so genannten Zeolithen. Die Porenräume in einigen Zeolithen sind so eng, dass sie, wenn sie mit Wasser gesättigt sind, nur Ketten mit einer Molekülbreite aufnehmen können. Diese einreihigen Ketten von Wassermolekülen haben andere thermochemische Eigenschaften als normales oder "loses" Wasser, so die Forscher, was Auswirkungen auf viele wissenschaftliche Disziplinen hat.

Die Studie unter der Leitung von David Flaherty, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik, wurde in der Zeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht.

Zeolithe, die sich wie winzige Schwämme, Filter oder sogar Katalysatoren verhalten können, werden seit Jahren für Materialien verwendet, die verschüttetes Wasser aufsaugen und Wasser und andere Chemikalien reinigen. Die Forscher wissen, dass die Wechselwirkungen mit dem Wasser in den Zeolithporen ihre Stabilität als Katalysatoren stark beeinflussen, aber es war bisher unklar, wie oder warum dies geschieht.

Im Labor setzte das Team spektroskopische Methoden ein, um systematische Unterschiede zwischen der Form und Anordnung von Wassermolekülen in der Hauptphase und jenen Wassermolekülen zu messen, die in einer Reihe von Zeolithen mit immer kleineren Porendurchmessern eingeschlossen sind, darunter 1,3, 0,7, 0,5 und 0,3 Nanometer - 5.000 bis 10.000 Mal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares.

"Wir haben höhere Raten chemischer Reaktionen in der Nähe von kleinen Wassermolekülclustern in den Zeolithporen beobachtet als in den Poren ohne Wasser oder in Wasser in Bulkform", so Flaherty. "Die Korrelationen zwischen den durch die Reaktion verursachten Entropieänderungen im Wasser, den Reaktionsraten und der Größe der Zeolithporen lassen vermuten, dass die Veränderungen in der Struktur der Wassercluster und -ketten für die Verbesserung der katalytischen Raten verantwortlich sind."

"Als sich die kettenartigen Wasserstrukturen umorganisieren mussten, um die reagierenden Moleküle aufzunehmen, führte dies zu unerwarteten - und dramatischen - Steigerungen der Raten", so der Hauptautor und ehemalige Illinois-Diplomand Daniel Bregante. "Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Teil des Puzzles, um zu verstehen, warum bestimmte Kombinationen von Katalysatoren, Lösungsmitteln und Reaktanten zu höheren Raten führen als andere".

Aus technologischer Sicht wissen die Forscher nun, wie sie bessere synthetische Zeolithe entwickeln und sie so abstimmen können, dass sie Reaktionen vieler Arten beeinflussen.

"Dieses Prinzip ist auch für andere Materialien als Zeolithe und andere chemische Prozesse relevant", so Flaherty. "Bei der Elektrokatalyse und anderen Sorptions- und Trenntechnologien werden mikroporöse Materialien beispielsweise für die Umwandlung oder Reinigung von Kohlenwasserstoffen oder aus Biomasse gewonnenen Produkten verwendet. Die Arbeit des Teams könnte die Art und Weise verändern, wie andere Materialien für diese Anwendungen entworfen und synthetisiert werden.

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