Написано AZoNano 4 196 196 1945 1945][1945

Глобальная команда инженеров и исследователей сделала прорывное открытие, которое могло бы дополнительно расширить применение ультратонких цеолитных нанолистов. Эти нанолиты используются в качестве специализированных молекулярных фильтров.

Это последнее открытие может потенциально привести к эффективному производству биотоплива, пластмасс и бензина. Группу возглавляли доцент К. Андре Мхоян из Университета Миннесоты и заслуженный профессор Майкл Цапацис, ныне заслуженный профессор Bloomberg в Университете Джона Хопкинса.

Исследователи сделали это революционное открытие одномерных (1D) дефектов в двумерной (2D) структуре пористого материала с помощью надежной просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (TEM) в Университете Миннесоты, города-побратимы. кампус. Используемый здесь пористый материал представлял собой форму цеолита, известного как MFI.

Когда исследователи изобразили атомную структуру нанолистов MFI с необычайной детализацией, они обнаружили, что эти одномерные дефекты привели к уникальной усиленной структуре нанолиста, которая значительно изменила фильтрующие свойства нанолиста. Результаты исследования были опубликованы в рецензируемом научном журнале Nature Materials .

Получение изображения тонкого цеолитного кристалла на атомном уровне с помощью просвечивающей электронной микроскопии является давней проблемой, поскольку эти кристаллы легко повреждаются под действием высокоэнергетических электронов, которые необходимы для получения изображений в атомном масштабе.

К. Андре Мхоян, доцент, Университет Миннесоты

Мхоян является экспертом в области сложного ТЕА и кафедры пластмасс Рэя Д. и Мэри Т. Джонсон / Майон на кафедре химической инженерии и материаловедения в Колледже науки и техники в Университете Миннесоты.

Он продолжил: « Требуется глубокое понимание механизмов повреждения пучка кристаллов цеолита и доз электронного пучка, которые может принять цеолит. Эта работа вышла за пределы наших электронных микроскопов, где мы можем надежно получать изображения с атомным разрешением таких чрезвычайно тонких (всего 3 нанометра) цеолитных нанолисток с идентифицируемыми одномерными сростками . »

Для Прашанта Кумара, выпускника Научно-инженерного колледжа городов-побратимов Университета Миннесоты, потребовалось почти пять лет анализа, чтобы обнаружить небольшие различия между обоими материалами.

Я был очарован красивыми симметричными узорами в кристалле MFI на протяжении всей моей докторской диссертации. Работа. Посмотрев на шумные изображения в ПЭМ в течение бесчисленных часов, я, наконец, увидел нарушение симметрии на изображениях ПЭМ в нанолистах МФИ – я знал, что это было необычно .

Прашант Кумар, ведущий автор исследования, Университет Миннесоты

Несмотря на небольшие различия, это вязание линий одного цеолита внутри другого имело заметные последствия в способности ультратонких нанолистов обнаруживать и избирательно переносить молекулы. Это позволяет проводить селективное разделение и катализ.

Траян Думитрика (машиностроение) и Илья Сипманн (химия), оба профессора в Университете Миннесоты, выполнили моделирование, чтобы проверить эту производительность и образец. Результаты дуэта показали, что трикотажные материалы были менее восприимчивы к стрессу, но более избирательны, когда речь шла об изоляции молекул по форме и размеру.

Мембраны, изготовленные из этих улучшенных нанолистов для лабораторного моделирования, были созданы группой исследователей во главе с Цапацисом. Эти мембраны были испытаны в промышленных условиях, а также Бенджамином МакКулом, руководителем отделения и химии процессов в ExxonMobil.

Последнее привело к наиболее оптимальной производительности фильтрации; О-ксилол и п-ксилол были выделены с в пять раз большей эффективностью, чем сообщалось командой Цапациса.

MFI цеолит может быть определен как пористая структура атомов кислорода и кремния. Ранее считалось, что он растет с 1D структурами или цеолитом, известным как MEL, в объемном виде. Но эти дефекты никогда не были особенно сросшимися или созданными в двумерных нанолистах.

Создание ультра-селективных тонкопленочных мембран и иерархических катализаторов путем точной настройки частоты и распределения сростков пористых каркасов является концепцией, введенной нашей исследовательской группой десять лет назад .

Майкл Цапацис, почетный профессор и заслуженный профессор Bloomberg, Университет Джона Хопкинса

Цапацис продолжил: « Открытие с помощью ПЭМ одномерных сростков в двумерных нанолистах и ​​практические последствия, предлагаемые моделированием, выводят потенциал этой концепции на новый уровень и предлагают новые возможности для целевого синтеза, которые мы не представлял себе возможным . »

В настоящее время команда Цапациса надеется разработать гетероструктуры нанолистов MFI-MEL, которые не только увеличат содержание MEL, но и подтолкнут эффективность фильтрации тонких пленок к еще большей эффективности, как и предполагалось лабораторным моделированием.

Для Мхояна, который руководит лабораторией аналитической электронной микроскопии в Университете Миннесоты, где регулярно проводятся исследования на атомном уровне, последнее открытие дает возможность дополнительно усовершенствовать методы использования микроскопов для анализа наноматериалов вплоть до атомных. уровень детализации.

В состав исследовательской группы входят кандидаты наук. студенты и аспиранты Прашант Кумар, Дэ Ву Ким, Нил Рангнекар, Суприя Гош, Хан Чжан, Мира Шете и Цян Сяо.

В число преподавателей входили К. Андре Мхоян (из кафедры химической инженерии и материаловедения), Евгений Фетисов и профессор Илья Зипманн (из кафедры химии); и Хао Сюй и Траян Думитрика (из отдела машиностроения); старший научный сотрудник Бенджамин МакКул (из ExxonMobil); и почетный профессор Майкл Цапацис (от Джона Хопкинса).

Исследование финансировалось главным образом Национальным научным фондом и Министерством энергетики США, в то время как различные другие партнеры Университета Миннесоты частично поддерживали конкретные вычисления и характеристики.

Исследование озаглавлено «Одномерные сростки в двумерных цеолитных нанолистах и ​​их влияние на ультра-селективный транспорт».

Это видео исследователей из Университета Миннесоты показывает одномерные сростки в двумерных цеолитных нанолистах и ​​их влияние на ультра-селективный транспорт. Это прорывное открытие расширяет границы микроскопии для повышения эффективности производства топлива и пластмасс. Видео Кредит: Университет Миннесоты.

Источник: https://twin-cities.umn.edu/