Le zeoliti sono materiali inorganici cristallini la cui struttura a base di ossido è costruita con la condivisione degli angoli TO₄ tetraedri, dove T si riferisce a un atomo tetraedrico, più comunemente Si e Al. Grazie alla loro struttura ben definita e alle proprietà sintonizzabili del materiale, le zeoliti sono frequentemente utilizzate come catalizzatori in tutti i tipi di applicazioni, dai processi industriali ai prodotti per la casa come gli addolcitori d'acqua nei detersivi. Per il suo dottorato di ricerca ricerca, Shaojie Li ha sviluppato modi nuovi ed economici per sintetizzare zeoliti di dimensioni nanometriche.

Le zeoliti sono ampiamente utilizzate nei processi industriali, in particolare nelle aree di scambio ionico, adsorbimento/separazione e catalisi, e sono una delle classi di materiali più utilizzate tra i catalizzatori eterogenei. Sono utili catalizzatori a causa della loro acidità regolabile, stabilità (idro)termica e selettività di forma. Le zeoliti si formano con molte diverse strutture cristalline, che hanno grandi pori aperti (a volte indicati come cavità) in una disposizione molto regolare e all'incirca le stesse dimensioni di piccole molecole.

Le prestazioni dei catalizzatori zeolitici sono spesso ostacolate dai lunghi tempi di permanenza dei reagenti e dei prodotti nella rete dei micropori. La nanodimensionamento dei domini dei cristalli di zeolite a meno di 100 nm può migliorare efficacemente la diffusione e ridurre il tempo di residenza delle molecole ospiti nelle zeoliti. Nel suo dottorato di ricerca ricerca, Shaojie Li ha sviluppato l'uso di composti di ammonio diquaternario non tensioattivi facilmente accessibili per la sintesi diretta di zeoliti nanometriche di particolari topologie e acidità al fine di ottimizzare le prestazioni catalitiche.

"Il processo comune ora utilizzato nell'industria è l'approccio post-trattamento tramite disidratazione e dealluminazione. Rispetto all'approccio post-trattamento, il mio processo offre maggiore flessibilità nella preparazione di zeoliti nanometriche. Inoltre, c'è un maggiore controllo sulle proprietà fisico-chimiche delle zeoliti ottenute nel mio processo di sintesi diretta. Sebbene richieda ancora un ulteriore sviluppo per rendere commerciale il mio processo di sintesi, queste zeoliti di dimensioni nanometriche ben definite ottenute nel mio lavoro sono già candidati promettenti per studi fondamentali, ad esempio per studiare l'impatto della lunghezza di diffusione sulla prestazione catalitica in modo sistematico", afferma Li.

Strategie per sintetizzare le zeoliti

In generale, le strategie possono essere suddivise in approcci top-down e bottom-up, a seconda che i nanocristalli siano ottenuti rispettivamente dopo o durante la cristallizzazione della zeolite. Rispetto agli approcci top-down, ad es. macinazione a sfere e delaminazione, i metodi bottom-up offrono una maggiore flessibilità nella preparazione di zeoliti nanocristalline.

Poiché il numero di nuclei nel sistema determina la dimensione finale del cristallo, la formazione di piccoli cristalli di zeolite richiede condizioni che favoriscano la nucleazione rispetto alla crescita dei cristalli. Queste condizioni possono includere il prolungamento del tempo di invecchiamento, l'utilizzo di fonti di alluminio e silice facilmente dissolte, l'aggiunta di semi, l'uso di gel ultra densi cristallizzati mediante cottura a vapore, la sostituzione del riscaldamento tradizionale con l'irradiazione a microonde e il disaccoppiamento della nucleazione dalla crescita dei cristalli tramite un approccio graduale alla temperatura.

Sebbene i metodi di modellazione morbida, come approccio dal basso verso l'alto più semplice, siano stati utilizzati per preparare zeoliti nanocristalline, il metodo più comunemente utilizzato è il metodo di modellazione duale. Ciò comporta l'uso combinato di uno stampo per la formazione di zeolite e uno stampo morbido, solitamente un tensioattivo, per limitare la crescita dei grani cristallini.

Processo di produzione desiderato

Dal punto di vista pratico ed economico, sarebbe interessante sintetizzare direttamente zeoliti di dimensioni nanometriche utilizzando molecole organiche relativamente semplici ed economiche come modelli a doppia funzione. Li dice:"Nella mia ricerca, il nostro obiettivo era sintetizzare zeoliti di dimensioni nanometriche con proprietà fisico-chimiche mirate per prestazioni catalitiche migliorate o personalizzate nelle reazioni di conversione degli idrocarburi catalizzate dalla zeolite".

Li ha sviluppato modi per sintetizzare direttamente nanocristalli di zeolite utilizzando molecole organiche semplici ed economiche, in particolare composti di ammonio diquaternario non tensioattivi, come unico modello organico. La sua ricerca mette in evidenza come sfruttare diverse proprietà, ovvero rigidità, flessibilità, dimensioni e forma, degli OSDA di ammonio diquaternario non tensioattivo. Inoltre, il suo effetto sinergico con le specie precursori inorganiche è stato molto utile durante la sintesi idrotermale di zeoliti con proprietà fisico-chimiche mirate.

Infine, queste zeoliti di dimensioni nanometriche hanno mostrato prestazioni catalitiche migliorate in reazioni importanti dal punto di vista industriale per il trattamento degli idrocarburi, come l'idroconversione di n-paraffine e il metanolo in idrocarburi. La ricerca di Li non solo ha fornito un contributo per la sintesi di zeoliti nanometriche in modo economico e scalabile, ma ispirerà anche più studi per affrontare la sfida in corso su come progettare razionalmente la sintesi di zeoliti. + Esplora ulteriormente

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