Zeolitlerin Yeni Matematik Anlayışı, Kataliz ve Filtreleme İçin Yeni Malzemelerin Keşfedilmesine Neden Olabilir

Endüstriyel işlemlerde yaygın olarak kullanılan minerallerin incelenmesi, kataliz ve filtreleme için yeni malzemelerin bulunmasına yol açabilir.

Zeolitlerin Yeni Matematik Anlayışı, Kataliz ve Filtreleme İçin Yeni Malzemelerin Keşfedilmesine Neden Olabilir

Endüstriyel işlemlerde yaygın olarak kullanılan minerallerin incelenmesi, kataliz ve filtreleme için yeni malzemelerin bulunmasına yol açabilir.

Zeolitler, süngerimsi bir yapıya sahip, onları katalizörler veya ultra ince filtreler olarak yararlı kılan minik gözeneklerle dolu bir doğal veya üretilmiş mineral sınıfıdır. Ancak teorik olarak mümkün olan milyonlarca zeolit ​​kompozisyonundan bugüne kadar sadece 248 tanesi keşfedildi veya yapıldı. Şimdi, MIT'in araştırması, neden sadece bu küçük alt kümenin bulunduğunu açıklamaya yardımcı oluyor ve bilim insanlarının istenen özelliklerle daha fazla zeolit ​​bulmasına veya üretmesine yardımcı olabiliyor.

Yeni bulgular, 7 Ekim 2019 tarihinde Nature Materials dergisinde, MIT lisansüstü öğrencileri Daniel Schwalbe-Koda ve Zach Jensen ve profesör Elsa Olivetti ve Rafael Gomez-Bombarelli tarafından yayınlanan bir bildiride rapor edildi.

Neden sadece bu küçük zeolit ​​grubu grubunun tanımlandığını ve bazı zeolit ​​türlerinin neden belirli başka türlere dönüştürülebildiğini açıklamaya çalışarak, gözlemlenen verilerle eşleşen bir teori ortaya çıkmadı. Şimdi, MIT ekibi farklı moleküler yapıları tanımlamak için matematiksel bir yaklaşım geliştirdi. Yaklaşım, hangi zeolit ​​tür çiftlerinin birinden diğerine dönüştürülebileceğini tahmin edebilen grafik teorisine dayanmaktadır.

Bu, zeolitleri belirli amaçlara uygun hale getirmenin yollarını bulma yolunda önemli bir adım olabilir. Aynı zamanda, daha önce gözlemlenmemiş bazı dönüşümleri öngördüğü için üretim için yeni yollar açabilir. Öngörülen eşleştirmelerden bazıları yeni tür zeolit ​​yapılara dönüşmeye neden olacağından, daha önce hiç görülmemiş zeolitlerin üretilebilme olasılığını öne sürüyor.

Interzeolit ​​dönüşümleri

Zeolitler, günümüzde rafinerilerde petrolün “çatlamasını” katalizlemek ve kedi çöp kutusu doldurucusunda bileşen olarak kokuları absorbe etmek kadar çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Araştırmacılar yeni tür zeolit ​​türleri oluşturabilirlerse, örneğin belirli filtreleme türlerine uygun gözenek boyutları ile daha fazla uygulama mümkün olabilir.

Her türlü zeolit, kuvarsla aynı kimyasal bileşimde olduğu gibi silikat mineralleridir. Aslında, jeolojik zaman çizelgelerinde, hepsi eninde sonunda kuvaza dönüşecektir - mineralin çok daha yoğun bir şeklidir - Toyota, Malzeme İşlemede Yardımcı Doçent olan Gomez-Bombarelli'yi açıklar. Ancak bu arada, ısı ya da basınç uygulayarak, bazen farklı metastabil bir forma dönüştürülebilen “metastabil” bir formdalar. Bu dönüşümlerin bazıları iyi bilinmektedir ve hali hazırda daha uygun olan doğal formlardan istenen zeolit ​​çeşitlerini üretmek için zaten kullanılmaktadır.

Günümüzde, birçok zeolit, kristalleşmeleri için bir çeşit şablon sağlayan, OSDA'lar (organik yapı yönlendirme maddeleri) olarak bilinen kimyasal bileşikler kullanılarak üretilmektedir. Ancak Gomez-Bombarelli, bunun yerine, hali hazırda mevcut olan bir zeolit ​​biçiminin dönüştürülmesiyle üretilebileceklerini söylüyorsa, “bu gerçekten heyecan verici. OSDA kullanmamız gerekmiyorsa, o zaman [malzemeyi üretmek] çok daha ucuzdur. Organik malzeme pahalıdır. Organiklerden kaçınmak için yapabileceğimiz herhangi bir şey bizi endüstriyel ölçekte üretime yaklaştırıyor. ”

Araştırmacılar, farklı zeolit ​​bileşiklerinin yapısının geleneksel kimyasal modellemesini, birinden diğerine kolayca dönüştürebilen zeolit ​​çiftlerini bulmak için gerçek bir ipucu sağlamaz. Yapısal olarak benzer görünen bileşikler bazen bu tür dönüşümlere maruz kalmazlar ve birbirleriyle birbirine çok benzeyen diğer çiftler kolayca değiş tokuş yaparlar. Araştırmalarına rehberlik etmek için ekip, daha önce Olivetti grubu tarafından geliştirilen ve zeolitlerle ilgili 70.000'den fazla araştırma makalesini okumak ve özellikle interzeolit ​​dönüşümlerini tanımlayanları seçmek için geliştirilen yapay zeka sistemini kullandı. Daha sonra ortak özellikleri belirlemeye çalışmak için bu çiftleri ayrıntılı olarak incelediler.

Buldukları şey, geleneksel yapısal modelleme yerine, grafik teorisine dayanan topolojik bir tanımlamanın ilgili eşleşmeleri açıkça tanımlamasıydı. Gerçek fiziksel düzenlerinden ziyade katılarda kimyasal bağların sayısına ve konumlarına dayanan bu grafik tabanlı açıklamalar, bilinen tüm eşleşmelerin neredeyse aynı grafiklere sahip olduğunu gösterdi. Değişime maruz kalmayan çiftler arasında benzer bir grafik bulunamadı.

Bulgu, daha önce tanımlanmayan ön laboratuvar gözlemleriyle eşleştiği ve böylece yeni modelin geçerliliğini sağladığına dair önceden bilinmeyen birkaç eşleşmeyi ortaya çıkardı. Sistem aynı zamanda hangi zeolit ​​formlarının iç içe geçebileceğini tahmin etmede başarılı oldu - iki klipsli eldeki parmaklar gibi birleştirilen iki tip kombinasyonunu birleştirdi. Bu tür kombinasyonlar ayrıca, örneğin farklı zeolit ​​malzemeleri kullanan sıralı kataliz aşamaları için ticari olarak faydalıdır.

Daha fazla araştırma için olgunlaşmış

Yeni bulgular ayrıca teorik olarak mümkün olan zeolit ​​oluşumlarının çoğunun neden aslında görünmediğini açıklamaya da yardımcı olabilir. Bazı formlar kolayca başkalarına dönüşebildiğinden, bazılarının kendi başlarına hiç gözlenmeyecekleri kadar hızlı dönüşmeleri olabilir. Grafik tabanlı yaklaşımı kullanarak tarama yapmak, bu bilinmeyen eşleşmelerden bazılarını ortaya çıkarabilir ve bu kısa ömürlü formların neden görülmediğini gösterebilir.

Grafik modeline göre, bazı zeolitlerin “aynı grafikle varsayımsal ortakları yoktur, bu yüzden onları dönüştürmeyi denemek mantıklı değildir, ancak bazılarının binlerce ortağı vardır” ve bu nedenle daha fazla araştırma için olgunlaşan Gomez-Bombarelli diyor.

İlke olarak, yeni bulgular, teşvik etmeyi amaçladıkları kesin kimyasal reaksiyonlara göre ayarlanmış çeşitli yeni katalizörlerin gelişmesine yol açabilir. Gomez-Bombarelli, neredeyse herhangi bir arzu edilen reaksiyonun varsayımsal olarak onu tanıtmak için uygun bir zeolit ​​malzemesi bulabileceğini söylüyor.

“Deneyciler, dönüşümlerini tanımlayan bir dil bulmak için çok heyecanlılar” diyor.

Bu çalışma, ticari zeolit ​​üretiminin verimliliğini ve ekonomisini geliştirmek için bu süreçleri kullanma potansiyeli nedeniyle, giderek daha önemli bir konu haline gelen interzeolit ​​dönüşümlerinin anlaşılmasındaki büyük bir gelişmedir ”diyor. ve bu araştırmaya katılmamış olan Houston Üniversitesi'nde biyomoleküler mühendislik.

İspanya’da Valencia’daki Teknik Üniversitesi’nde bulunan ve bu araştırmaya da bağlı olmayan, yetenekli bir bilim adamı olan Manuel Moliner, “Bilinen zeolitleri değil, aynı zamanda yüzlerce hipotetik zeolitleri de içeren belirli interzeolit ​​dönüşümlerinde rol alan çiftleri anlamak. hiç sentezlenmemiş, endüstriyel katalizörler olarak potansiyel ilgiyle hedef zeolitlerin sentezini rasyonelleştirmek ve yönlendirmek için olağanüstü pratik fırsatlar sunuyor. ”


Bu araştırma kısmen Ulusal Bilim Vakfı ve Deniz Araştırma Bürosu tarafından desteklenmiştir.

Referans: “Grafik benzerliği, zeolit ​​difüzyonsuz dönüşümleri ve iç içe büyümeyi tetiklemektedir”, Daniel Schwalbe-Koda, Zach Jensen, Elsa Olivetti ve Rafael Gómez-Bombarelli, 7 Ekim 2019, Nature Materials