Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

A thin-skinned catalyst for chemical reactions

13.12.2012
Yolk-shell nanocrystal structure offers greater selectivity for heterogeneous catalysis

A chemical nanostructure developed by Boston College researchers behaves much like the pores of the skin, serving as a precise control for a typically stubborn method of catalysis that is the workhorse of industrial chemistry.


Boston College researches started with a metallic crystal. It was then coated with a "sacrificial layer" of copper oxide. The application of ZIF-8 formed a porous skin that then etched away the copper. Within the resulting cavity, researchers were able to control the chemical reaction thanks to the skin-like shell of ZIF-8.

Credit: Journal of the American Chemical Society

Scientists have been trying to develop so-called yolk-shell catalysts as a means of imparting greater selectivity on heterogeneous catalysis, a process used in most industrial chemistry, including the manufacture of fine chemicals, petrochemicals and agrochemicals.

Boston College Assistant Professor of Chemistry Chia-Kuang Tsung and his team developed a nanostructure that can regulate chemical reactions thanks to a thin, porous skin capable of precisely filtering molecules based on their size or chemical make-up, the group reported recently in the Journal of the American Chemical Society.

"The idea is to make a smarter catalyst," said Tsung. "To do that, we placed a layer of 'skin' on the surface that can discriminate between which chemical reacts or does not react with the catalyst."

The team started with a nanoscale metallic crystal, then applied a "sacrificial layer" of copper oxide over it, Tsung said. Next, a shell of highly refined material known as a metal-organic framework, or MOF, was applied to the structure. Immediately, the polycrystalline MOF adhered to the cooper oxide, forming and outer layer of porous "skin". At the same time, the MOF began to etch away the copper oxide layer from the surface of the crystal, creating a tiny chamber between the skin and the catalyst where the chemical reaction can take place.

Testing the structure with gases of varying molecular structure, Tsung said the skin proved it could allow ethylene, with the small molecule size, to pass through and reach the catalyst. The gas cyclooctene, with larger molecule size, was effectively blocked from reaching the catalyst. Tests showed the central difference between new method and earlier incarnations of yolk-shell catalysts was the creation of the empty chamber between the skin and catalyst, the researchers reported.

Tsung said the unprecedented level of control is a significant step in the use of unique nanoscale chemical structures in the effort to impart greater selectivity and control on heterogeneous catalysis, a proven process used to create chemicals in nearly all areas outside of pharmaceutical research, which employs homogeneous catalysis.

Scientists have been looking for ways to exert greater selectivity in heterogeneous catalysis in an effort to expand its application and extend "green chemistry" benefits of reduced byproducts and waste, Tsung said.

The key to the nanocrystal is the extremely precise structure of the metal-organic framework, Tsung said, which gives the skin an intricate network of pore-like passages through which select gases or liquids can pass before contacting the catalyst and triggering the desired reaction.

"We can make these pores very precisely, just like your skin or like the membrane surrounding a cell," Tsung said. "We can change their composition and chemical properties in order to accept or reject certain types of reactions. That is a level of control chemists in a variety of fields are eager to see nurtured and refined."

Ed Hayward | EurekAlert!
Further information:
http://www.bc.edu

More articles from Life Sciences:

nachricht New Model of T Cell Activation
27.05.2016 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Fungi – a promising source of chemical diversity
27.05.2016 | Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie - Hans-Knöll-Institut (HKI)

All articles from Life Sciences >>>

The most recent press releases about innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tiroler Technologie zur Abwasserreinigung weltweit erfolgreich

Auf biologischem Weg und mit geringem Energieeinsatz wandelt ein an der Universität Innsbruck entwickeltes Verfahren in Kläranlagen anfallende Stickstoffverbindungen in unschädlichen Luftstickstoff um. Diese innovative Technologie wurde nun gemeinsam mit dem US-Wasserdienstleister DC Water weiterentwickelt und vermarktet. Für die Kläranlage von Washington DC wird die bisher größte DEMON®-Anlage errichtet.

Das DEMON®-Verfahren wurde bereits vor elf Jahren entwickelt und von der Universität Innsbruck zum Patent angemeldet. Inzwischen wird die Technologie in rund...

Im Focus: Worldwide Success of Tyrolean Wastewater Treatment Technology

A biological and energy-efficient process, developed and patented by the University of Innsbruck, converts nitrogen compounds in wastewater treatment facilities into harmless atmospheric nitrogen gas. This innovative technology is now being refined and marketed jointly with the United States’ DC Water and Sewer Authority (DC Water). The largest DEMON®-system in a wastewater treatment plant is currently being built in Washington, DC.

The DEMON®-system was developed and patented by the University of Innsbruck 11 years ago. Today this successful technology has been implemented in about 70...

Im Focus: Optische Uhren können die Sekunde machen

Eine Neudefinition der Einheit Sekunde auf der Basis von optischen Uhren wird realistisch

Genauer sind sie jetzt schon, aber noch nicht so zuverlässig. Daher haben optische Uhren, die schon einige Jahre lang als die Uhren der Zukunft gelten, die...

Im Focus: Computational High-Throughput-Screening findet neue Hartmagnete die weniger Seltene Erden enthalten

Für Zukunftstechnologien wie Elektromobilität und erneuerbare Energien ist der Einsatz von starken Dauermagneten von großer Bedeutung. Für deren Herstellung werden Seltene Erden benötigt. Dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg ist es nun gelungen, mit einem selbst entwickelten Simulationsverfahren auf Basis eines High-Throughput-Screening (HTS) vielversprechende Materialansätze für neue Dauermagnete zu identifizieren. Das Team verbesserte damit die magnetischen Eigenschaften und ersetzte gleichzeitig Seltene Erden durch Elemente, die weniger teuer und zuverlässig verfügbar sind. Die Ergebnisse wurden im Online-Fachmagazin »Scientific Reports« publiziert.

Ausgangspunkt des Projekts der IWM-Forscher Wolfgang Körner, Georg Krugel und Christian Elsässer war eine Neodym-Eisen-Stickstoff-Verbindung, die auf einem...

Im Focus: University of Queensland: In weniger als 2 Stunden ans andere Ende der Welt reisen

Ein internationales Forschungsteam, darunter Wissenschaftler der University of Queensland, hat im Süden Australiens einen erfolgreichen Hyperschallgeschwindigkeitstestflug absolviert und damit futuristische Reisemöglichkeiten greifbarer gemacht.

Flugreisen von London nach Sydney in unter zwei Stunden werden, dank des HiFiRE Programms, immer realistischer. Im Rahmen dieses Projekts werden in den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wie sieht die Schifffahrt der Zukunft aus? - IAME-Jahreskonferenz in Hamburg

27.05.2016 | Veranstaltungen

Technologische Potenziale der Multiparameteranalytik

27.05.2016 | Veranstaltungen

Umweltbeobachtung in nah und fern

27.05.2016 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Stressoren erkennen, Belastungen reduzieren, Fachwissen erlangen

27.05.2016 | Seminare Workshops

HDT SOMMERAKADEMIE 2016

27.05.2016 | Seminare Workshops

11 Millionen Euro für die Erforschung von Magnetfeldsensoren für die medizinische Diagnostik

27.05.2016 | Förderungen Preise