Zeolieten zijn kristallijne anorganische materialen waarvan het op oxiden gebaseerde raamwerk is gebouwd met hoekverdeling TO₄ tetraëders, waarbij T verwijst naar een tetraëdrisch atoom, meestal Si en Al. Dankzij hun goed gedefinieerde structuur en afstembare materiaaleigenschappen worden zeolieten veelvuldig gebruikt als katalysator in allerlei toepassingen, van industriële processen tot huishoudelijke producten zoals waterontharders in wasmiddel. Voor zijn Ph.D. onderzoek ontwikkelde Shaojie Li nieuwe en kosteneffectieve manieren om zeolieten van nanoformaat te synthetiseren.

Zeolieten worden veel gebruikt in industriële processen, met name op het gebied van ionenuitwisseling, adsorptie/scheiding en katalyse, en ze zijn een van de meest gebruikte klassen van materialen onder de heterogene katalysatoren. Het zijn bruikbare katalysatoren vanwege hun afstembare zuurgraad, (hydro)thermische stabiliteit en vormselectiviteit. Zeolieten vormen zich met veel verschillende kristallijne structuren, die grote open poriën hebben (soms holten genoemd) in een zeer regelmatige opstelling en ongeveer even groot als kleine moleculen.

De prestatie van zeolietkatalysatoren wordt vaak belemmerd door de lange verblijftijden van reactanten en producten in het microporiënnetwerk. Nanosizing van zeolietkristaldomeinen tot minder dan 100 nm kan de diffusie effectief verbeteren en de verblijftijd van gastmoleculen in zeolieten verminderen. In zijn Ph.D. onderzoek ontwikkelde Shaojie Li het gebruik van gemakkelijk toegankelijke niet-surfactant diquaternaire ammoniumverbindingen voor de directe synthese van zeolieten van nanoformaat met bepaalde topologieën en zuurgraad om de katalytische prestaties te optimaliseren.

"Het gebruikelijke proces dat nu in de industrie wordt gebruikt, is de nabehandelingsbenadering via desilicatie en dealuminatie. Vergeleken met de nabehandelingsbenadering biedt mijn proces meer flexibiliteit bij de bereiding van zeolieten op nanoschaal. Bovendien is er meer controle over de fysisch-chemische eigenschappen van de verkregen zeolieten in mijn directe syntheseproces Hoewel het nog verdere ontwikkeling vereist om mijn syntheseproces commercieel te maken, zijn deze goed gedefinieerde zeolieten in nanoformaat in mijn werk al veelbelovende kandidaten voor fundamentele studies, bijvoorbeeld om de impact van diffusielengte te bestuderen op de katalytische prestaties op een systematische manier", zegt Li.

Strategieën om zeolieten te synthetiseren

Over het algemeen kunnen de strategieën worden onderverdeeld in top-down en bottom-up benaderingen, gebaseerd op het feit of nanokristallen worden verkregen na respectievelijk tijdens zeolietkristallisatie. In vergelijking met top-down benaderingen, b.v. kogelmalen en delamineren, bottom-up methoden bieden meer flexibiliteit bij de bereiding van nanokristallijne zeolieten.

Aangezien het aantal kernen in het systeem de uiteindelijke kristalgrootte bepaalt, vereist de vorming van kleine zeolietkristallen omstandigheden die kiemvorming begunstigen boven kristalgroei. Deze omstandigheden kunnen zijn:verlenging van de verouderingstijd, gebruik van gemakkelijk oplosbare aluminium- en silicabronnen, toevoeging van zaden, gebruik van ultradichte gels die door stomen zijn gekristalliseerd, vervanging van traditionele verwarming door microgolfbestraling en ontkoppeling van kiemvorming van kristalgroei via een gefaseerde temperatuurbenadering.

Hoewel soft-templating-methoden, als een eenvoudigere bottom-up-benadering, zijn gebruikt om nanokristallijne zeolieten te bereiden, is de meest gebruikte methode de dual-templating-methode. Dit omvat het gecombineerde gebruik van een sjabloon voor de vorming van zeoliet en een zacht sjabloon, meestal een oppervlakteactieve stof, om de kristalkorrelgroei te beperken.

Gewenst productieproces

Vanuit praktisch en economisch perspectief zou het aantrekkelijk zijn om zeolieten met nanogrootte direct te synthetiseren door gebruik te maken van relatief eenvoudige en goedkope organische moleculen als dual-functionele templates. Li zegt:"In mijn onderzoek was het ons doel om zeolieten van nanoformaat te synthetiseren met gerichte fysisch-chemische eigenschappen voor verbeterde of op maat gemaakte katalytische prestaties in door zeoliet gekatalyseerde koolwaterstofomzettingsreacties."

Li ontwikkelde manieren om zeoliet-nanokristallen direct te synthetiseren door gebruik te maken van eenvoudige en goedkope organische moleculen, met name niet-surfactant diquaternaire ammoniumverbindingen, als het enige organische sjabloon. Zijn onderzoek belicht hoe te profiteren van verschillende eigenschappen, d.w.z. stijfheid, flexibiliteit, grootte en vorm, van de niet-surfactant diquaternaire ammonium OSDA's. Bovendien was het synergetische effect met de anorganische voorlopersoort zeer nuttig tijdens de hydrothermische synthese van zeolieten met gerichte fysisch-chemische eigenschappen.

Ten slotte vertoonden deze zeolieten met nanogrootte verbeterde katalytische prestaties in industrieel belangrijke reacties voor koolwaterstofverwerking, zoals n-paraffines hydroconversie en methanol-naar-koolwaterstoffen. Li's onderzoek leverde niet alleen een bijdrage aan de synthese van zeolieten op nanoschaal op een goedkope en schaalbare manier, maar zal ook inspireren tot meer studies om de voortdurende uitdaging aan te gaan om zeolietsynthese rationeel te ontwerpen. + Verder verkennen

De beste zeoliet bouwen