A pesar de décadas de uso industrial, las transformaciones químicas exactas que ocurren dentro de las zeolitas, un material común utilizado en la conversión de petróleo a gasolina, siguen siendo poco conocidas. Ahora los científicos han encontrado una manera de localizar, con precisión atómica, puntos dentro delmaterial donde se producen reacciones químicas y cómo se cierran estos puntos.
Llamados sitios activos, los puntos ayudan a separar y reorganizar las moléculas a medida que pasan a través de canales de tamaño nanométrico, como una línea de ensamblaje en una fábrica. Un proceso llamado vapor hace que estos sitios activos se agrupen, cerrando efectivamente la fábrica, los científicosreportado en Comunicaciones de la naturaleza . Este conocimiento podría ayudar a idear cómo mantener la fábrica funcionando durante más tiempo, por así decirlo, y mejorar los catalizadores que ayudan a producir combustible, biocombustibles y otros productos químicos.
El equipo incluyó científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, la compañía de tecnología de refinación de petróleo UOP LLC y la Universidad de Utrecht. Para hacer este descubrimiento, reconstruyeron el primer mapa atómico tridimensional de un material de zeolita relevante industrialmente para rastrear suelemento clave, aluminio.
Cuando las cosas se ponen húmedas, la estructura cambia
Las zeolitas son minerales compuestos de átomos de aluminio, silicio y oxígeno dispuestos en una estructura cristalina tridimensional. Aunque parezcan polvo blanco a simple vista, las zeolitas tienen una red en forma de esponja de poros del tamaño de moléculas.estos poros actúan como trabajadores en una línea de ensamblaje: crean sitios activos que le dan a las zeolitas sus propiedades catalíticas.
La industria utiliza aproximadamente una docena de zeolitas sintéticas como catalizadores para procesar petróleo y productos químicos. Un proceso de conversión importante, llamado craqueo catalítico fluido, depende de las zeolitas para producir la mayoría de la gasolina del mundo.
Para despertar sitios activos dentro de las zeolitas, la industria trata previamente el material con calor y agua, un proceso llamado vaporización. Sin embargo, el exceso de vapor de alguna manera apaga los sitios. Cambiar las condiciones de vaporización podría extender la vida útil del catalizador, produciendo así combustible de manera más eficiente.
Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que el vapor hace que el aluminio se mueva dentro del material, cambiando así sus propiedades. Pero hasta ahora el aluminio ha evadido el análisis detallado.
quita los átomos
La mayoría de los estudios sobre la estructura de la zeolita se basan en la microscopía electrónica, que no puede distinguir fácilmente el aluminio del silicio debido a sus masas similares. Peor aún, el intenso haz de electrones del instrumento tiende a dañar el material, cambiando su estructura inherente antes de que se vea.
En cambio, el equipo de científicos recurrió a una técnica de caracterización que nunca antes se había aplicado con éxito a las zeolitas. Llamada tomografía por sonda atómica, funciona zappingando una muestra con un láser pulsante, proporcionando suficiente energía para eliminar un átomo a la veztiempo Los espectrómetros de masas de tiempo de vuelo analizan cada átomo, a una velocidad de aproximadamente 1,000 átomos por segundo. A diferencia de un microscopio electrónico, esta técnica puede distinguir el aluminio del silicio.
Aunque la tomografía por sonda atómica ha existido durante 50 años, fue diseñada originalmente para observar materiales conductores, como los metales. Las zeolitas menos conductoras presentaron un problema.
El científico de materiales de PNNL Danny Perea y sus colegas superaron este obstáculo adaptando una sonda de átomo de electrodo local en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE accesible para científicos de todo el mundo. La mayoría de los intentos de obtener imágenes del material terminaronprematuramente, cuando las fuerzas electromagnéticas dentro del instrumento vaporizaron toda la muestra. La clave del éxito fue encontrar las condiciones adecuadas para preparar una muestra y luego recubrirla con una capa de metal para ayudar a proporcionar conductividad y resistencia para resistir el análisis.
Después de horas de explosión de decenas de millones de átomos, los científicos podrían reconstruir un mapa atómico de una muestra aproximadamente mil veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. Estos mapas contienen pistas sobre por qué falla el catalizador.
Un lugar para agruparse
Las imágenes confirmaron lo que los científicos sospecharon durante mucho tiempo: el vapor hace que los átomos de aluminio se agrupen. Al igual que los trabajadores se apiñan alrededor de un punto en la línea de montaje, esta agrupación cierra efectivamente la fábrica catalítica.
Los científicos incluso identificaron el lugar donde al aluminio le gusta agruparse. Los cristales de zeolita a menudo crecen en subunidades superpuestas, formando algo así como un diagrama de Venn 3-D. Los científicos llaman al límite entre dos subunidades un límite de grano, y ahí es dondeel aluminio se agrupó. Los científicos sospechan que el espacio abierto a lo largo de los límites del grano atrajo el aluminio.
Con la guía de estos mapas atómicos, la industria podría algún día modificar la forma en que vaporiza las zeolitas para producir un catalizador más eficiente y duradero. El equipo de investigación examinará luego otras zeolitas industrialmente importantes en diferentes etapas de vaporización para proporcionar un mapa más detalladode esta transformación.
Esta investigación fue apoyada por la Combinación de Catalizadores de la Escuela de Investigación de los Países Bajos, el Consejo de Investigación de los Países Bajos y el programa de Desarrollo de Investigación Dirigida por el Laboratorio de PNNL.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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