Chemische Katalysatoren können in allen verschiedenen Formen, Größen und Formen vorliegen. Sie werden verwendet, um die Energieschwelle zu senken, die zur Aktivierung einer chemischen Reaktion erforderlich ist, wodurch die Geschwindigkeit erhöht wird – oft um Größenordnungen. Schätzungsweise 90 % der industriell synthetisierten Chemikalien beinhalten einen gewissen Einsatz von Katalyse.
Die Suche nach den effizientesten und spezifischsten Katalysatoren ist ein wesentlicher Bestandteil chemischer Prozesse, und es ist ideal, einen Katalysator zu haben, der sowohl leicht verfügbar als auch auf verschiedene Reaktionen abstimmbar ist – hier glänzt die Materialfamilie der Zeolithe.
Zeolithe sind eine Klasse von Materialien mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung und physikalisch-chemischen Eigenschaften. Sie sind normalerweise eine Mischung aus Siliziumdioxid-, Aluminiumoxid- und Wassermolekülen mit lose gebundenen positiven Ionen, die leicht gegen andere ausgetauscht werden können. Diese positiven Ionen sowie die einzigartige mikroporöse Struktur der Zeolithe verleihen ihnen weit verbreitete katalytische Fähigkeiten.
Es gibt über 250 bekannte Zeolithstrukturen, von denen 40 natürlich vorkommen. Jede einzigartige Struktur erhält eine 3-Buchstaben-Bezeichnung von der International Zeolite Association Structure Commission.
Die Kristalle bilden eine sich wiederholende Gitterstruktur, die durch Kristallographie identifiziert und gemessen werden kann. Zeolithe verfügen aufgrund ihrer Poren über eine große Oberfläche und können eine Vielzahl von Kationen wie Natrium, Calcium, Kalium oder Magnesium adsorbieren. Sie können auch Wasserstoffkationen adsorbieren, um als feste Säuren zu fungieren.
Der erste Zeolith wurde im 18. Jahrhundert entdeckt, als festgestellt wurde, dass das Mineral Stilbit beim Erhitzen erhebliche Mengen Dampf abgab. Dies führte zu der Erkenntnis, dass Wasser an der Oberfläche des Materials adsorbiert werden könnte. Weitere Untersuchungen haben viele Mineralien innerhalb der Familie der Zeolithe mit vielen unterschiedlichen strukturellen Konfigurationen und Porengrößen identifiziert.
Zeolithe sind sehr stabil, ungiftig, wiederverwendbar und können aus äußerst reichlich vorhandenen natürlichen Materialien hergestellt werden. Künstliche Zeolithe können durch Erhitzen von Aluminiumoxid und Siliciumdioxid mit Natriumhydroxid synthetisiert werden, wobei zusätzliche Templatchemikalien verwendet werden, um die Struktur des Kristalls während seiner Bildung zu steuern.
Die Poren jedes unterschiedlichen Zeolithtyps können dazu führen, dass Bindungen an spezifischen und wiederholbaren Stellen aufgebrochen werden, wodurch das gewünschte Produkt maximiert und unerwünschte Derivate minimiert werden. Dies ist besonders nützlich beim Recycling von Kunststoffabfällen, wo Zeolith-Poren Molekülstücke mit spezifischer Größe von dem viel größeren Polymer abscheren können, die dann vollständig in neue Polymere oder neue Materialien umfunktioniert werden können. Ein ähnliches Prinzip hat sich bei der Umwandlung von Methan, einem Treibhausgas, in Methanol bewährt.
Diese faszinierenden Materialien haben auch die Fähigkeit, sich wie Molekularsiebe zu verhalten und Molekülmischungen gemäß den Poren innerhalb der Zeolithstruktur zu filtern. Dieser Größenausschluss ermöglicht das Filtern und Adsorbieren unterschiedlicher Moleküle, je nachdem, welche der 250 Zeolithstrukturen verwendet wird. Künstliche Zeolithe werden dafür normalerweise bevorzugt, da die Größe und Form des Kristalls manipuliert werden kann und das Mineral weniger wahrscheinlich Verunreinigungen enthält.
Trotz ihrer wünschenswerten Eigenschaften kann es schwierig sein, mit einigen Zeolithen im industriellen Maßstab zu arbeiten. Um dem entgegenzuwirken, wurden Verbundmaterialien entwickelt, um die Vorteile des Materials mit weniger Nachteilen zu maximieren. Schwedische Wissenschaftler haben einen leichten Zeolith-Schaum-Verbundstoff entwickelt, der genügend Zeolith-Oberfläche behält, um bei der selektiven Adsorption von Kohlendioxid nützlich zu sein und es aus der Atmosphäre zu entfernen. Das Schaumgerüst ermöglicht im Gegensatz zu herkömmlichen Zeolithpulvern, dass mehr Gas mit dem Katalysator in Kontakt kommt.
Zeolithe wurden auch verwendet, um Wasserreinigungsbemühungen zu unterstützen, da der Kristall Ionen adsorbieren und austauschen kann, die üblicherweise in hartem Wasser wie Kalzium und Magnesium vorkommen, und sie durch weniger schädliche Alternativen ersetzen.
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