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化学反应|鳍片多孔材料为化学反应搭建“高速公路”

【化学反应|鳍片多孔材料为化学反应搭建“高速公路”】化学反应|鳍片多孔材料为化学反应搭建“高速公路”
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很多化学过程都依赖于高速催化反应 。 然而 ， 分子扩散往往会因为“分子阻塞”的影响而导致反应速度变慢 。
《自然·材料学》杂志8月10日报道 ， 美国休斯敦大学、瑞典斯德哥尔摩大学等合作开发了一种全新的鳍片多孔催化剂 ， 它能够降低分子进入催化剂内部孔隙的难度 ， 从而加速化学反应进程 。
这种鳍片多孔催化剂的主要成分是沸石 。 沸石是一种有纳米级孔隙的铝硅酸盐 ， 作为固体催化剂 ， 广泛应用于工业生产活动中 。
在沸石参与的化学反应中 ， 分子要进入沸石孔内进行化学反应 ， 必须先找到沸石催化剂外表面的少量“入口” 。 这就导致分子必须“排队”进入催化剂内部 ， 然后才能扩散到活性位点 。 如何解决“排队”难题？
工程师们认为 ， 制备小尺寸的纳米催化剂是较好的解决方案：沸石变小了 ， 暴露入口的表面积更大了 ， 分子进入的机会随之增加了 。 此外 ， 沸石尺寸越小 ， 分子穿越其内部的距离也越短 。 然而 ， 制备小尺寸沸石的成本非常高昂 ， 并且实际效率偏低 。
休斯敦大学研究人员Jeffrey Rimer教授等开发了一种尺寸更大的鳍片催化剂 ， 它可以发挥与纳米粒子相似的功能：分子进入内部 ， 引发反应后迅速离去 。
鳍片沸石催化剂的表面非常粗糙 ， 从而使表面积显著增加 ， 分子更容易进入其内部 ， 并解除了传统沸石催化剂的传质限制 。
Rimer解释说：“在团队多年研究成果的基础上 ， 我们调整了沸石的结晶方式 ， 形成了鳍片结构 。 这种新材料不涉及纳米颗粒的直接合成 ， 为沸石催化剂的设计开创了新的范例 。 ”
研究人员通过开展国际合作 ， 比较了鳍片沸石催化剂与传统沸石催化剂的性能 ， 并对前者的微观形态、孔隙结构等进行了深入研究 。
他们发现 ， 鳍片沸石催化剂的寿命、催化效率和分子传输效率 ， 分别是传统沸石催化剂的8倍、3倍和100~1000倍 。 鳍片结构缩短了内部扩散路径 ， 确保分子能有效抵达反应位点 ， 并减少了羰基产物被固定的倾向 。
研究人员表示 ， 新催化剂对燃料生产和塑料产品制造等诸多行业有直接影响 。
Rimer说：“这一新发现有望在广泛应用的沸石材料中深度推广 。 对沸石催化剂而言 ， 调控鳍片特性可以提供更强大的灵活性 。 ”
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：alone
责编：橘子
期刊来源：《自然·材料学》
期刊编号：1476-1122
原文链接：
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200810115520.htm
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