原子级成像揭示了薄膜强度的秘密

由明尼苏达大学副教授K. Andre Mkhoyan和名誉教授Michael Tsapatsis(目前是约翰·霍普金斯大学的彭博杰出教授)领导的国际科学家和工程师团队进行了一项发现.

可以进一步促进超超分子的应用。薄沸石纳米片,用作专门的分子过滤器。这一发现可以提高汽油,塑料和生物燃料的生产效率。

在明尼苏达大学双城分校校园使用强大的高分辨率透射电子显微镜(TEM)实现了多孔材料(称为MFI沸石)二维结构中一维缺陷的突破性发现。

通过以前所未有的细节成像MFI纳米片的原子结构,研究人员发现这些一维缺陷导致了独特的增强型纳米片结构,从而极大地改变了纳米片的过滤性能。

研究结果发表在《自然材料》(Nature Materials)上,该材料是同行评审的科学杂志。

“在原子尺度上对薄沸石晶体进行TEM成像一直是一项长期的挑战,因为这些晶体很容易在原子能成像所需的高能电子作用下受到破坏,”

明尼苏达大学科学与工程学院化学工程与材料科学系的Ray D.和Mary T. Johnson / Mayon Plastics主席。

“它需要深入了解沸石晶体的束损伤机理以及沸石可以吸收的电子束剂量。这项工作突破了我们的电子显微镜的极限,在此我们可以可靠地产生如此薄的原子分辨率图像(只有3纳米厚)具有可识别的一维共生的沸石纳米片。”

明尼苏达大学双城分校的毕业生Prashant Kumar经过近五年的研究,发现了两种材料之间的细微差异(见附图)。

该研究的主要作者库马尔说:“在我整个博士期间,我都被MFI晶体中美丽的对称图案所吸引。” “在无数小时盯着TEM中嘈杂的图像后,我终于看到MFI纳米片的TEM图像中的对称性破裂了-我知道这是不寻常的。”

尽管存在细微的差异,但一种沸石在另一种沸石中的这种编织方式对纳米片识别并选择性转运分子的能力具有显着影响,从而能够进行选择性分离和催化。

明尼苏达大学的教授Traian Dumitrica(机械工程)和Ilja Siepmann(化学)带领模拟进行了测试,以测试这种模式和性能。他们的发现表明,针织材料对应力的响应较小,并且在根据大小和形状分离分子方面更具选择性。

由这些增强的纳米片制成的用于实验室模拟的膜由Tsapatsis领导的研究小组制造,并在工业条件下进行了测试.

还由埃克森美孚(ExxonMobil)分离和工艺化学负责人Benjamin McCool进行了测试。后者产生了创纪录的过滤性能-对二甲苯和邻二甲苯的分离效率是Tsapatsis小组迄今报告的五倍。

MFI沸石是硅和氧原子的多孔结构,以前已知会以一维结构或称为MEL的散装形式生长。然而,这些缺陷从未在二维纳米片中专门制造或共生。

Tsapatsis说:“通过微调多孔骨架共生的频率和分布来制造超选择性薄膜和分级催化剂是我们的研究小组十年前提出的一个概念。”

“通过TEM在二维纳米片中发现一维共生体以及通过建模提出的实际意义将这一概念的潜力提高到了一个新的水平,并为我们无法想象的靶向合成提供了新的机会。”

他的团队现在希望创建MFI-MEL纳米片的异质结构,以使MEL含量最大化,并将薄膜的过滤性能提高到更高的效率,这是实验室模拟所预测的。

对于管理U的分析电子显微镜实验室的Mkhoyan来说,原子级的研究是日常工作。对于突破性的发现,这是一个机会,可以进一步改善显微镜用于研究原子级细节的纳米材料的方式。

研究团队的成员包括博士。学生和博士后研究员Prashant Kumar,Dae Woo Kim,Neel Rangnekar,Supriya Ghosh,Han Zhang,Meera Shete和Qiang Xiao;

教师K. Andre Mkhoyan(化学工程和材料科学系),Evgenii Fetisov和Ilja Siepmann教授(化学系);以及徐浩和Traian Dumitrica(机械工程系);

高级研究助理本杰明·麦库(Benjamin McCool)(埃克森美孚);和名誉教授Michael Tsapatsis(约翰·霍普金斯)。

这项研究主要由美国国家科学基金会(National Science Foundation)资助,美国能源部和明尼苏达大学的许多合作伙伴对某些表征和计算提供了部分支持。

文章来源:sciencedaily

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