Las zeolitas son materiales inorgánicos cristalinos cuya estructura a base de óxido está construida con esquinas compartidas TO₄ tetraedros, donde T se refiere a un átomo tetraédrico, más comúnmente Si y Al. Gracias a su estructura bien definida y sus propiedades materiales ajustables, las zeolitas se utilizan con frecuencia como catalizadores en todo tipo de aplicaciones, desde procesos industriales hasta productos domésticos como suavizantes de agua en detergentes. Para su Ph.D. investigación, Shaojie Li desarrolló formas nuevas y rentables de sintetizar zeolitas de tamaño nanométrico.

Las zeolitas se utilizan ampliamente en procesos industriales, especialmente en áreas de intercambio iónico, adsorción/separación y catálisis, y son una de las clases de materiales más utilizadas entre los catalizadores heterogéneos. Son catalizadores útiles debido a su acidez regulable, estabilidad (hidro)térmica y selectividad de forma. Las zeolitas se forman con muchas estructuras cristalinas diferentes, que tienen grandes poros abiertos (a veces denominados cavidades) en una disposición muy regular y aproximadamente del mismo tamaño que las moléculas pequeñas.

El rendimiento de los catalizadores de zeolita a menudo se ve obstaculizado por los largos tiempos de residencia de los reactivos y productos en la red de microporos. Los dominios de cristal de zeolita nanométricos a menos de 100 nm pueden mejorar efectivamente la difusión y reducir el tiempo de residencia de las moléculas huésped en las zeolitas. En su Ph.D. investigación, Shaojie Li desarrolló el uso de compuestos de amonio dicuaternario no surfactantes fácilmente accesibles para la síntesis directa de zeolitas de tamaño nanométrico de topologías y acidez particulares para optimizar el rendimiento catalítico.

"El proceso común que ahora se usa en la industria es el enfoque de postratamiento a través de la desilicación y la desaluminación. En comparación con el enfoque de postratamiento, mi proceso brinda más flexibilidad en la preparación de zeolitas de tamaño nanométrico. Además, hay más control sobre las propiedades fisicoquímicas. de las zeolitas obtenidas en mi proceso de síntesis directa. Aunque todavía requiere un mayor desarrollo para que mi proceso de síntesis sea comercial, estas zeolitas nanométricas bien definidas obtenidas en mi trabajo ya son candidatas prometedoras para estudios fundamentales, por ejemplo, para estudiar el impacto de la longitud de difusión sobre el rendimiento catalítico de manera sistemática", dice Li.

Estrategias para sintetizar zeolitas

En general, las estrategias se pueden dividir en enfoques de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba, en función de si los nanocristales se obtienen después o durante la cristalización de la zeolita, respectivamente. En comparación con los enfoques de arriba hacia abajo, p. Los métodos de molienda de bolas y deslaminación de abajo hacia arriba brindan más flexibilidad en la preparación de zeolitas nanocristalinas.

Dado que el número de núcleos en el sistema determina el tamaño final del cristal, la formación de pequeños cristales de zeolita requiere condiciones que favorezcan la nucleación sobre el crecimiento del cristal. Estas condiciones pueden incluir la prolongación del tiempo de envejecimiento, la utilización de fuentes de aluminio y sílice que se disuelven fácilmente, la adición de semillas, el uso de geles ultradensos cristalizados con vapor, la sustitución del calentamiento tradicional por irradiación de microondas y el desacoplamiento de la nucleación del crecimiento de cristales a través de un enfoque de temperatura por etapas.

Aunque se han utilizado métodos de plantillas blandas, como un enfoque de abajo hacia arriba más sencillo, para preparar zeolitas nanocristalinas, el método más utilizado es el método de plantillas duales. Esto implica el uso combinado de una plantilla para la formación de zeolita y una plantilla blanda, normalmente un tensioactivo, para limitar el crecimiento de los granos de cristal.

Proceso de producción deseado

Desde la perspectiva práctica y económica, sería atractivo sintetizar directamente zeolitas de tamaño nanométrico mediante el uso de moléculas orgánicas relativamente simples y económicas como plantillas de doble función. Li dice:"En mi investigación, nuestro objetivo era sintetizar zeolitas de tamaño nanométrico con propiedades fisicoquímicas específicas para un rendimiento catalítico mejorado o personalizado en reacciones de conversión de hidrocarburos catalizadas por zeolitas".

Li desarrolló formas de sintetizar nanocristales de zeolita directamente mediante el uso de moléculas orgánicas simples y económicas, en particular compuestos de amonio dicuaternario no surfactantes, como la única plantilla orgánica. Su investigación destaca cómo aprovechar varias propiedades, es decir, rigidez, flexibilidad, tamaño y forma, de los OSDA de amonio dicuaternario no surfactantes. Además, su efecto sinérgico con las especies precursoras inorgánicas fue muy útil durante la síntesis hidrotermal de zeolitas con propiedades fisicoquímicas específicas.

Finalmente, estas zeolitas de tamaño nanométrico mostraron un rendimiento catalítico mejorado en reacciones de importancia industrial para el procesamiento de hidrocarburos, como la hidroconversión de n-parafinas y la conversión de metanol en hidrocarburos. La investigación de Li no solo hizo una contribución para la síntesis de zeolitas de tamaño nanométrico de una manera económica y escalable, sino que también inspirará más estudios para abordar el desafío actual de cómo diseñar racionalmente la síntesis de zeolitas. + Explora más

Construyendo la mejor zeolita