Революционное открытие одномерных дефектов в двумерной структуре пористого материала (цеолита, называемого MFI) было достигнуто с помощью мощной просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) высокого разрешения в кампусе Университета Миннесоты в городах-побратимах. Изучая атомную структуру нанолистов MFI с беспрецедентной детализацией, исследователи обнаружили, что эти одномерные дефекты привели к уникальной усиленной структуре нанолиста, которая резко изменила фильтрационные свойства нанолиста.
Результаты опубликованы в научном журнале Nature Materials.
«Получение изображений тонких кристаллов цеолита в атомном масштабе с помощью просвечивающего электронного микроскопа является давней проблемой, поскольку эти кристаллы легко повреждаются под действием высокоэнергетических электронов, которые необходимы для получения изображений в атомном масштабе», – сказал Мхоян, эксперт по передовым электронным микроскопам. и Луч D. и Мэри Т. Джонсон / Майон, заведующий отделением пластмасс факультета химической инженерии и материаловедения Колледжа науки и инженерии Миннесотского университета. «Это требует глубокого понимания механизмов повреждения кристаллов цеолита пучком и доз электронного пучка, которые цеолит может принимать. Эта работа раздвинула границы наших электронных микроскопов, где мы можем надежно получать изображения с атомным разрешением таких чрезвычайно тонких (всего 3 нанометра) нанолистов цеолита с идентифицируемыми одномерными сростками."
Незначительные различия между двумя материалами (см. Прилагаемое изображение) были обнаружены Прашантом Кумаром, выпускником Колледжа науки и инженерии Миннесотских городов-побратимов, после почти пяти лет исследований.
"Я был очарован красивыми симметричными узорами в кристалле MFI на протяжении всей моей докторской.D. работают ", – сказал Кумар, ведущий автор исследования. "После бесчисленных часов разглядывания зашумленных изображений в ПЭМ я наконец увидел нарушение симметрии на изображениях ПЭМ нанолистов MFI – я знал, что это необычно."
Несмотря на тонкие различия, это сшивание линий одного цеолита внутри другого имеет явные последствия для способности нанолистов распознавать и селективно переносить молекулы, обеспечивая селективное разделение и катализ. Профессора Миннесотского университета Траян Думитрика (машиностроение) и Илья Сипманн (химия) провели моделирование, чтобы проверить эту модель и производительность. Их результаты показали, что трикотажные материалы менее чувствительны к нагрузкам и более избирательны в разделении молекул в зависимости от размера и формы.
Мембраны, изготовленные из этих улучшенных нанолистов для лабораторного моделирования, были изготовлены исследовательской группой во главе с Цапацисом, и они были испытаны в промышленных условиях, а также Бенджамином Маккулом, руководителем отдела разделения и технологической химии в ExxonMobil.
Последнее привело к рекордным характеристикам фильтрации – п-ксилол и о-ксилол разделены с в пять раз большей эффективностью, чем сообщала группа Цапациса на сегодняшний день.
Цеолит MFI представляет собой пористую структуру из атомов кремния и кислорода и, как ранее было известно, растет с одномерными структурами, или цеолит, называемый MEL, в объемной форме. Однако эти дефекты никогда не создавались специально или не срастались в двумерные нанолисты.
«Создание сверхизбирательных тонкопленочных мембран и иерархических катализаторов путем точной настройки частоты и распределения срастаний пористых каркасов – это концепция, представленная нашей исследовательской группой десять лет назад», – сказал Цапацис. "Обнаружение с помощью ПЭМ одномерных срастаний в двумерных нанолистах и практические последствия, предложенные при моделировании, выводят потенциал этой концепции на новый уровень и предлагают новые возможности для целевого синтеза, которые мы не представляли возможными."
Его команда теперь надеется создать гетероструктуры нанолистов MFI-MEL, которые могут максимизировать содержание MEL и повысить эффективность фильтрации тонких пленок до еще более высокой эффективности, как было предсказано лабораторным моделированием. Для Мхояна, который руководит лабораторией аналитической электронной микроскопии в Университете штата Калифорния, где исследования в атомном масштабе являются повседневной рутиной, открытие – это возможность еще больше улучшить способы использования микроскопов для изучения наноматериалов в деталях на атомном уровне.
В состав исследовательской группы входят к.D. студенты и аспиранты Прашант Кумар, Дэ Ву Ким, Нил Рангнекар, Суприя Гош, Хан Чжан, Мира Шете и Цян Сяо; профессорско-преподавательский состав K. Андре Мхоян (кафедра химического машиностроения и материаловедения), Евгений Фетисов и профессор Илья Зипманн (кафедра химии); и Хао Сю и Траян Думитрика (факультет машиностроения); старший научный сотрудник Бенджамин МакКул (ExxonMobil); и почетный профессор Майкл Цапацис (Джонс Хопкинс).
Это исследование в основном финансировалось Национальным научным фондом, при частичной поддержке определенных характеристик и вычислений Университетом США.S. Министерство энергетики и ряд партнеров Университета Миннесоты.