Zeólitos são materiais inorgânicos cristalinos cuja estrutura à base de óxido é construída com compartilhamento de cantos TO₄ tetraedros, onde T se refere a um átomo tetraédrico, mais comumente Si e Al. Graças à sua estrutura bem definida e propriedades do material ajustáveis, as zeólitas são frequentemente usadas como catalisadores em todos os tipos de aplicações, desde processos industriais até produtos domésticos, como amaciantes de água em detergente. Para seu Ph.D. pesquisa, Shaojie Li desenvolveu maneiras novas e econômicas de sintetizar zeólitas de tamanho nano.
As zeólitas são amplamente utilizadas em processos industriais, principalmente nas áreas de troca iônica, adsorção/separação e catálise, e são uma das classes de materiais mais utilizadas dentre os catalisadores heterogêneos. Eles são catalisadores úteis devido à sua acidez ajustável, estabilidade (hidro)térmica e seletividade de forma. Os zeólitos se formam com muitas estruturas cristalinas diferentes, que possuem grandes poros abertos (às vezes chamados de cavidades) em um arranjo muito regular e aproximadamente do mesmo tamanho de moléculas pequenas.

O desempenho dos catalisadores de zeólita é muitas vezes prejudicado pelos longos tempos de residência dos reagentes e produtos na rede de microporos. Nanosizing domínios de cristal de zeólita para menos de 100 nm pode efetivamente melhorar a difusão e reduzir o tempo de residência de moléculas hóspedes em zeólitas. Em seu Ph.D. pesquisa, Shaojie Li desenvolveu o uso de compostos de amônio diquaternário não surfactantes de fácil acesso para a síntese direta de zeólitos nanométricos de topologias e acidez particulares para otimizar o desempenho catalítico.

"O processo comum agora usado na indústria é a abordagem de pós-tratamento via dessilicação e desaluminação. Em comparação com a abordagem de pós-tratamento, meu processo oferece mais flexibilidade na preparação de zeólitas nanométricas. Além disso, há mais controle sobre as propriedades físico-químicas das zeólitas obtidas em meu processo de síntese direta. Embora ainda precise de mais desenvolvimento para tornar meu processo de síntese comercial, essas zeólitas nanométricas bem definidas obtidas em meu trabalho já são candidatas promissoras para estudos fundamentais, por exemplo, para estudar o impacto do comprimento de difusão sobre o desempenho catalítico de forma sistemática", diz Li.

Estratégias para sintetizar zeólitas

Geralmente, as estratégias podem ser divididas em abordagens de cima para baixo e de baixo para cima, com base em se os nanocristais são obtidos após ou durante a cristalização da zeólita, respectivamente. Em comparação com abordagens de cima para baixo, por exemplo. moagem de bolas e delaminação, os métodos de baixo para cima fornecem mais flexibilidade na preparação de zeólitas nanocristalinas.

Uma vez que o número de núcleos no sistema determina o tamanho final do cristal, a formação de pequenos cristais de zeólita requer condições que favoreçam a nucleação sobre o crescimento do cristal. Essas condições podem incluir prolongamento do tempo de envelhecimento, utilização de fontes de alumínio e sílica facilmente dissolvidas, adição de sementes, uso de géis ultradensos cristalizados por vapor, substituição do aquecimento tradicional por irradiação de micro-ondas e desacoplamento da nucleação do crescimento do cristal por meio de uma abordagem de temperatura em estágios.

Embora os métodos de modelagem suave, como uma abordagem mais fácil de baixo para cima, tenham sido usados ​​para preparar zeólitas nanocristalinas, o método mais comumente usado é o método de modelagem dupla. Isso envolve o uso combinado de um molde para a formação de zeólita e um molde macio, geralmente um surfactante, para limitar o crescimento do grão de cristal.

Processo de produção desejado

Do ponto de vista prático e econômico, seria atraente sintetizar diretamente zeólitas nanométricas pelo uso de moléculas orgânicas relativamente simples e baratas como modelos de função dupla. Li diz:"Na minha pesquisa, nosso objetivo era sintetizar zeólitos nanométricos com propriedades físico-químicas direcionadas para desempenho catalítico aprimorado ou personalizado em reações de conversão de hidrocarbonetos catalisadas por zeólitos".

Li desenvolveu maneiras de sintetizar nanocristais de zeólita diretamente usando moléculas orgânicas simples e baratas, particularmente compostos de amônio diquaternário não surfactantes, como o único modelo orgânico. Sua pesquisa destaca como tirar proveito de várias propriedades, ou seja, rigidez, flexibilidade, tamanho e forma, dos OSDAs de amônio diquaternário não surfactantes. Além disso, seu efeito sinérgico com as espécies precursoras inorgânicas foi muito útil durante a síntese hidrotérmica de zeólitas com propriedades físico-químicas específicas.

Finalmente, essas zeólitas nanométricas mostraram melhor desempenho catalítico em reações industrialmente importantes para o processamento de hidrocarbonetos, como hidroconversão de n-parafinas e metanol em hidrocarbonetos. A pesquisa de Li não apenas contribuiu para a síntese de zeólitas nanométricas de maneira barata e escalável, mas também inspirará mais estudos para enfrentar o desafio contínuo de como projetar racionalmente a síntese de zeólitas. + Explorar mais

Construindo a melhor zeólita