Zeoliter är kristallina oorganiska material vars oxidbaserade ramverk är byggt med hörndelning TO₄ tetraedrar, där T hänvisar till en tetraedrisk atom, oftast Si och Al. Tack vare deras väldefinierade struktur och avstämbara materialegenskaper används zeoliter ofta som katalysatorer i alla typer av applikationer, från industriella processer till hushållsprodukter som vattenavhärdare i tvättmedel. För sin Ph.D. forskning, utvecklade Shaojie Li nya och kostnadseffektiva sätt att syntetisera zeoliter i nanostorlek.

Zeoliter används i stor utsträckning i industriella processer, särskilt i områden för jonbyte, adsorption/separation och katalys, och de är en av de mest använda klasserna av material bland de heterogena katalysatorerna. De är användbara katalysatorer på grund av deras avstämbara surhet, (hydro)termiska stabilitet och formselektivitet. Zeoliter bildas med många olika kristallina strukturer, som har stora öppna porer (ibland kallade håligheter) i ett mycket regelbundet arrangemang och ungefär samma storlek som små molekyler.

Prestanda hos zeolitkatalysatorer hämmas ofta av de långa uppehållstiderna för reaktanter och produkter i mikropornätverket. Nanosizing zeolitkristalldomäner till mindre än 100 nm kan effektivt förbättra diffusionen och minska uppehållstiden för gästmolekyler i zeoliter. I sin Ph.D. forskning utvecklade Shaojie Li användningen av lättillgängliga icke-ytaktiva diquaternära ammoniumföreningar för direkt syntes av zeoliter i nanostorlek med speciell topologi och surhet för att optimera den katalytiska prestandan.

"Den vanliga processen som nu används i industrin är efterbehandlingsmetoden via desilikering och avaluminering. Jämfört med efterbehandlingsmetoden ger min process mer flexibilitet vid framställning av zeoliter i nanostorlek. Dessutom finns det mer kontroll över de fysikalisk-kemiska egenskaperna av de erhållna zeoliterna i min direkta syntesprocess. Även om det fortfarande krävs vidareutveckling för att göra min syntesprocess kommersiell, är dessa erhållna väldefinierade zeoliter i nanostorlek i mitt arbete redan lovande kandidater för grundläggande studier, t.ex. för att studera effekten av diffusionslängd på den katalytiska prestandan på ett systematiskt sätt", säger Li.

Strategier för att syntetisera zeoliter

Generellt kan strategierna delas in i uppifrån-och-ned-och nerifrån-upp-metoder, baserat på om nanokristaller erhålls efter respektive under zeolitkristallisering. Jämfört med uppifrån och ner tillvägagångssätt, t.ex. kulfräsning och delaminering, bottom-up-metoder ger mer flexibilitet vid framställning av nanokristallina zeoliter.

Eftersom antalet kärnor i systemet bestämmer den slutliga kristallstorleken, kräver bildning av små zeolitkristaller förhållanden som gynnar kärnbildning framför kristalltillväxt. Dessa förhållanden kan inkludera förlängning av åldringstiden, användning av lättupplösta aluminium- och kiseldioxidkällor, tillsats av frön, användning av ultratäta geler kristalliserade genom ångning, ersättning av traditionell uppvärmning med mikrovågsbestrålning och frikoppling av kärnbildning från kristalltillväxt via en stegvis temperaturmetod.

Även om mjuka schablonmetoder, som ett enklare nedifrån-och-upp-tillvägagångssätt, har använts för att framställa nanokristallina zeoliter, är den vanligaste metoden den dubbla schablonmetoden. Detta involverar den kombinerade användningen av en mall för bildning av zeolit ​​och en mjuk mall, vanligtvis ett ytaktivt ämne, för att begränsa tillväxten av kristallkorn.

Önskad produktionsprocess

Ur ett praktiskt och ekonomiskt perspektiv skulle det vara attraktivt att direkt syntetisera zeoliter i nanostorlek genom att använda relativt enkla och billiga organiska molekyler som dubbelfunktionella mallar. Li säger, "I min forskning var det vårt mål att syntetisera zeoliter i nanostorlek med riktade fysikalisk-kemiska egenskaper för förbättrad eller skräddarsydd katalytisk prestanda i zeolitkatalyserade kolväteomvandlingsreaktioner."

Li utvecklade sätt att syntetisera zeolit ​​nanokristaller direkt genom att använda enkla och billiga organiska molekyler, särskilt icke-ytaktiva diquaternära ammoniumföreningar, som den enda organiska mallen. Hans forskning belyser hur man drar fördel av flera egenskaper, d.v.s. styvhet, flexibilitet, storlek och form, hos icke-ytaktiva diquaternära ammonium OSDA. Dessutom var dess synergistiska effekt med de oorganiska prekursorerna till stor hjälp under den hydrotermiska syntesen av zeoliter med riktade fysikalisk-kemiska egenskaper.

Slutligen visade dessa zeoliter i nanostorlek förbättrad katalytisk prestanda i industriellt viktiga reaktioner för kolvätebearbetning, såsom n-paraffiner hydrokonvertering och metanol-till-kolväten. Lis forskning gav inte bara ett bidrag till syntes av zeoliter i nanostorlek på ett billigt och skalbart sätt, utan kommer också att inspirera till fler studier för att tackla den pågående utmaningen hur man rationellt utformar zeolitsyntes. + Utforska vidare

Bygga den bästa zeoliten