Zeolitter, krystallinske materialer, der er vidt brugt i den petrokemiske industri, tjener som pivotale katalysatorer i produktionen af fine kemikalier, hvor aluminium er kilden til aktive steder inden for zeolitstrukturer. Et forskerteam fra Hong Kong Polytechnic University (Polyu) har afsløret den nøjagtige placering af aluminiumatomer i Zeolite -rammen.
Denne opdagelse kunne lette designet af mere effektive og stabile katalysatorer, der sigter mod at øge udbyttet af petrokemiske produkter, opnå effektiv opbevaring af vedvarende energi og kontrollere luftforurening. Denne fremskridt vil yderligere fremme anvendelsen af zeolitter inden for relevante felter. Resultaterne er blevet offentliggjort i Videnskab.
Forskningen ledes af prof. Shik Chi Edman Tsang, formandsprofessor i katalyse og materialer fra Polyu Department of Applied Biology and Chemical Technology. Han er sammen med prof. Tsz Woon Benedict Lo, lektor sammen med den første forfatter Dr. Guangchao Li, forskningsassistent, begge fra den samme afdeling. Holdet samarbejdede med forskere fra University of Oxford og Innovation Academy for Precision Målingsvidenskab og teknologi fra det kinesiske videnskabsakademi.
De unikke egenskaber ved zeolitter, der er kendetegnet ved deres veldefinerede mikroporøse struktur, høje overfladeareal og indstillelig surhed og grundlæggende, gør dem uundværlige i petrokemisk raffinering, miljømæssig katalyse og fin kemisk syntese.
Fordelingen af substitutionelle aluminiumatomer inden for zeolitrammen påvirker geometrien for molekylære adsorbater, katalytisk aktivitet og form og størrelsesselektivitet. Imidlertid har nøjagtigt at lokalisere disse aluminiumatomer og forstå deres indflydelse på den katalytiske opførsel af zeolitter, der er stillet udfordringer for det videnskabelige samfund i årtier.
I deres forskning fokuserede teamet på både lab-syntetiserede og kommercielle H-ZSM-5 zeolitter for at bygge bro mellem grundlæggende forskning og praktisk anvendelse, optimering af H-ZSM-5 til avancerede katalytiske processer. Især introducerede teamet en innovativ tilgang, der integrerer synkrotron resonans blød røntgenstrålediffraktion-et kraftfuldt værktøj til at studere atomstruktur-med sondeassisteret faststof-nukleær magnetisk resonans (SSNMR) og molekylære adsorptionsmetoder.
Denne integration afslørede interaktioner mellem molekyler på de aktive steder for aluminiumatomer. I sidste ende har teamet opnået et gennembrud i lokalisering af enkelt og par aluminiumatomer i en kommerciel H-ZSM-5 zeolit.
Forskningsresultaterne vil lette udviklingen af mere effektive og selektive katalysatorer, der har vidtrækkende konsekvenser ud over petrokemikalier, hvilket giver potentielle fordele for industrier såsom vedvarende energi og forureningskontrol. Reduktion af energiforbruget kan igen fremme bæredygtighed og minimere miljøpåvirkningen.
For petrokemisk raffinering kan disse katalysatorer forbedre brændstofudbyttet og kvaliteten, især for produkter som benzin og olefiner, samtidig sænke energiforbruget. På miljøkatalysens område bidrager de til renere luft og formilder luftforurening. For vedvarende energi og biobrændstoffer fremmer disse innovationer brintopbevaring og udnyttelsesprocesser, som er afgørende for udviklingen af en brintøkonomi.
Professor Edman Tsang sagde: “Denne opdagelse er en spiludveksler, da den nøjagtigt identificerer placeringen af aluminiumatomer i zeolitrammen, og hvordan de er placeret, hvilket for første gang giver en strukturel belystning af zeolit-rammer. Venlig. “
Professor Benedict Lo sagde, “Vi udforskede og kombinerede forskellige teknikker til at opnå et multidimensionelt syn på fordelingen af aluminiumatomer og deres interaktion med adsorberede molekyler, hvilket fører til indsigt i afgørende reaktionsmekanismer. Dette giver forskerne en dybere forståelse af strukturen af zeolitter.”
Dr. Guangchao Li sagde, “Vi vil udvikle yderligere nye syntesemetoder til præcist at kontrollere fordelingen og koncentrationen af aluminiumatomer såvel som deres porearkitekturer i zeolitter. Denne fremgang vil muliggøre design af katalysatorer med optimeret aktivitet, selektivitet og stabilitet til specifikke industrielle applikationer.”
Når man ser fremad, vil teamet arbejde tæt sammen med branchepartnere for at oversætte forskningsresultater til kommercielle applikationer. Ved at udnytte de omfattende netværk og forskningsstyrker inden for Polyu-Daya Bay Technology and Innovation Research Institute, der fokuserer på grøn kemi og bæredygtig katalyse, vil teamet samarbejde med indenlandske petrokemiske virksomheder for at fremme translationel forskning og fremskynde kommercialiseringen af avancerede zeolitkatalysatorer.
Denne indsats styrkes af avancerede polyu-faciliteter, herunder den eneste SSNMR-facilitet i Hong Kong og det snart indførte første dynamiske nukleære polarisations SSNMR (DNP-SSNMR) spektrometer i det større bugtområde og det sydlige Kina. Disse ressourcer styrker holdets forskningsevne og letter fremme af deres forskningsindsats.