Syntetisering af zeolitter i nanostørrelse

Zeolitter er krystallinske uorganiske materialer, hvis oxidbaserede struktur er bygget med hjørnedeling TO₄ tetraeder, hvor T refererer til et tetraedrisk atom, oftest Si og Al. Takket være deres veldefinerede struktur og afstembare materialeegenskaber bruges zeolitter hyppigt som katalysatorer i alle slags applikationer, fra industrielle processer til husholdningsprodukter såsom vandblødgøringsmidler i vaskemiddel. For sin ph.d. forskning udviklede Shaojie Li nye og omkostningseffektive måder at syntetisere zeolitter på i nanostørrelse.

Zeolitter er meget udbredt i industrielle processer, især i ionbytnings-, adsorptions-/separations- og katalyseområder, og de er en af ​​de mest udbredte klasser af materialer blandt de heterogene katalysatorer. De er nyttige katalysatorer på grund af deres indstillelige surhed, (hydro)termiske stabilitet og formselektivitet. Zeolitter dannes med mange forskellige krystallinske strukturer, som har store åbne porer (nogle gange omtalt som hulrum) i et meget regelmæssigt arrangement og nogenlunde samme størrelse som små molekyler.

Ydeevnen af ​​zeolitkatalysatorer er ofte hæmmet af de lange opholdstider for reaktanter og produkter i mikroporenetværket. Nanostørrelse af zeolitkrystaldomæner til mindre end 100 nm kan effektivt forbedre diffusionen og reducere opholdstiden for gæstemolekyler i zeolitter. I sin ph.d. forskning, udviklede Shaojie Li brugen af ​​let tilgængelige ikke-overfladeaktive diquaternære ammoniumforbindelser til direkte syntese af zeolitter i nanostørrelse med særlige topologier og surhedsgrad for at optimere den katalytiske ydeevne.

"Den almindelige proces, der nu anvendes i industrien, er efterbehandlingstilgangen via desilicering og dealuminering. Sammenlignet med efterbehandlingstilgangen giver min proces mere fleksibilitet i fremstillingen af ​​zeolitter i nanostørrelse. Desuden er der mere kontrol over de fysisk-kemiske egenskaber af de opnåede zeolitter i min direkte synteseproces. Selvom det stadig kræver yderligere udvikling at gøre min synteseproces kommerciel, er disse opnåede veldefinerede zeolitter i nanostørrelse i mit arbejde allerede lovende kandidater til fundamentale undersøgelser, f.eks. at studere virkningen af ​​diffusionslængde på den katalytiske ydeevne på en systematisk måde," siger Li.

Strategier til at syntetisere zeolitter

Generelt kan strategierne opdeles i top-down og bottom-up tilgange, baseret på om nanokrystaller opnås efter henholdsvis zeolitkrystallisation. Sammenlignet med top-down tilgange, f.eks. kuglefræsning og delaminering, bottom-up metoder giver mere fleksibilitet i fremstillingen af ​​nanokrystallinske zeolitter.

Da antallet af kerner i systemet bestemmer den endelige krystalstørrelse, kræver dannelse af små zeolitkrystaller betingelser, der favoriserer nukleation frem for krystalvækst. Disse forhold kan omfatte forlængelse af ældningstiden, udnyttelse af let opløste aluminium- og silicakilder, tilsætning af frø, brug af ultratætte geler krystalliseret ved dampning, erstatning af traditionel opvarmning med mikrobølgebestråling og afkobling af kernedannelse fra krystalvækst via en trinvis temperaturtilgang.

Selvom bløde skabelonmetoder, som en lettere bottom-up tilgang, er blevet brugt til at fremstille nanokrystallinske zeolitter, er den mest almindeligt anvendte metode den dobbelte skabelonmetode. Dette involverer den kombinerede brug af en skabelon til dannelse af zeolit ​​og en blød skabelon, sædvanligvis et overfladeaktivt middel, til at begrænse krystalkornsvæksten.

Ønsket produktionsproces

Fra det praktiske og økonomiske perspektiv ville det være attraktivt direkte at syntetisere zeolitter i nanostørrelse ved brug af relativt enkle og billige organiske molekyler som dobbeltfunktionelle skabeloner. Li siger:"I min forskning var det vores mål at syntetisere zeolitter i nanostørrelse med målrettede fysisk-kemiske egenskaber for forbedret eller skræddersyet katalytisk ydeevne i zeolitkatalyserede kulbrinteomdannelsesreaktioner."

Li udviklede måder at syntetisere zeolit ​​nanokrystaller direkte ved at bruge enkle og billige organiske molekyler, især ikke-overfladeaktive diquaternære ammoniumforbindelser, som den eneste organiske skabelon. Hans forskning fremhæver, hvordan man kan drage fordel af adskillige egenskaber, dvs. stivhed, fleksibilitet, størrelse og form, af de ikke-overfladeaktive diquaternære ammonium OSDA'er. Derudover var dens synergistiske virkning med de uorganiske precursorarter meget nyttig under den hydrotermiske syntese af zeolitter med målrettede fysisk-kemiske egenskaber.

Endelig viste disse zeolitter i nanostørrelse forbedret katalytisk ydeevne i industrielt vigtige reaktioner til carbonhydridbehandling, såsom n-paraffiner hydrokonvertering og methanol-til-carbonhydrider. Lis forskning ydede ikke kun et bidrag til syntese af zeolitter i nanostørrelse på en billig og skalerbar måde, men vil også inspirere til flere undersøgelser til at tackle den igangværende udfordring om, hvordan man rationelt designer zeolitsyntese. + Udforsk yderligere

Opbygning af den bedste zeolit ​​