Les catalyseurs chimiques peuvent se présenter sous différentes formes, tailles et formes. Ils sont utilisés pour abaisser le seuil d'énergie nécessaire pour activer une réaction chimique, augmentant ainsi la vitesse, souvent par ordre de grandeur. On estime que 90% des produits chimiques synthétisés industriellement impliquent une certaine utilisation de la catalyse.
Trouver les catalyseurs les plus efficaces et les plus spécifiques est une partie essentielle des processus chimiques, et avoir un catalyseur à la fois facilement disponible et adaptable à différentes réactions est idéal - c'est là que la famille de matériaux zéolite brille.
Les zéolithes sont une classe de matériaux ayant une composition chimique et des propriétés physico-chimiques similaires. Ils sont généralement un mélange de molécules de silice, d'alumine et d'eau, avec des ions positifs faiblement liés qui peuvent facilement être échangés contre d'autres. Ces ions positifs, ainsi que la structure microporeuse unique des zéolithes, leur permettent d'avoir des capacités catalytiques largement applicables.
Il existe plus de 250 structures de zéolithe connues, dont 40 sont d'origine naturelle. Chaque structure unique reçoit une désignation à 3 lettres par la Commission de structure de l'Association internationale de la zéolite.
Les cristaux forment une structure de réseau répétitive, qui peut être identifiée et mesurée par cristallographie. Les zéolithes présentent une surface étendue en raison de leurs pores et peuvent adsorber une grande variété de cations tels que le sodium, le calcium, le potassium ou le magnésium. Ils peuvent également adsorber des cations hydrogène pour fonctionner comme des acides solides.
La première zéolite a été découverte au 18ème siècle lorsqu'il a été constaté que la stilbite minérale dégageait des quantités importantes de vapeur lorsqu'elle était chauffée. Cela a conduit à comprendre que l'eau pouvait être adsorbée à la surface du matériau. Une étude plus approfondie a identifié de nombreux minéraux au sein de la famille des zéolithes, avec de nombreuses configurations structurelles et tailles de pores différentes.
Les zéolithes sont très stables, non toxiques, réutilisables et peuvent être fabriquées à partir de matériaux naturels extrêmement abondants. Les zéolithes artificielles peuvent être synthétisées en chauffant de l'alumine et de la silice avec de l'hydroxyde de sodium, avec des produits chimiques modèles supplémentaires utilisés pour guider la structure du cristal lors de sa formation.
Les pores de chaque type de zéolite différent peuvent entraîner la rupture de liaisons à des endroits spécifiques et reproductibles, maximisant le produit souhaité et minimisant les dérivés indésirables. Ceci est particulièrement utile dans le recyclage des déchets plastiques, où les pores de zéolite peuvent cisailler des morceaux moléculaires de taille spécifique du polymère beaucoup plus gros, qui peuvent ensuite être entièrement réutilisés dans de nouveaux polymères ou de nouveaux matériaux. Un principe similaire a réussi à transformer le méthane, un gaz à effet de serre, en méthanol.
Ces matériaux fascinants ont également la capacité de se comporter comme des tamis moléculaires, filtrant les mélanges moléculaires en fonction des pores de la structure de la zéolithe. Cette exclusion de taille permet de filtrer et d'adsorber différentes molécules en fonction de la structure des 250 zéolithes utilisée. Les zéolithes artificielles sont généralement préférées pour cela, car la taille et la forme du cristal peuvent être manipulées et le minéral est moins susceptible de contenir des contaminants.
Malgré leurs propriétés souhaitables, certaines zéolithes peuvent être difficiles à travailler à l'échelle industrielle. Pour lutter contre cela, des matériaux composites ont été conçus pour maximiser les avantages du matériau avec moins d'inconvénients. Des scientifiques suédois ont développé un composite léger de zéolite-mousse, qui maintient une surface de zéolite suffisante pour être utile dans l'adsorption sélective du dioxyde de carbone, en l'éliminant de l'atmosphère. Le cadre en mousse permet à plus de gaz d'être en contact avec le catalyseur, contrairement aux poudres de zéolite conventionnelles.
Les zéolithes ont également été utilisées pour faciliter les efforts de purification de l'eau, car le cristal peut adsorber et échanger des ions couramment présents dans l'eau dure comme le calcium et le magnésium, en les remplaçant par des alternatives moins nocives.
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