Aufdeckung verborgener Katalysatoren: Wissenschaftler entdecken atomare Einblicke in Zeolithe

Eine neue Studie hat die strukturelle Analyse von Zeolithen verbessert und Einblicke in ihre katalytischen Mechanismen und ihr Potenzial für breitere Anwendungen in der Materialwissenschaft geboten. Credit: DICP

Forscher am Dalian Institute of Chemical Physics haben die Analyse von Zeolithen mithilfe innovativer 17O-Festkörper-NMR-Techniken vorangetrieben, die die komplexen Strukturen von Hydroxylgruppen aufzeigen und unser Verständnis ihrer katalytischen Eigenschaften verbessern. Dieser Durchbruch könnte breitere Anwendungen bei der Analyse anderer komplexer Materialien haben.

Zeolithe werden in verschiedenen Branchen umfangreich eingesetzt, doch das vollständige Verständnis ihrer intrinsischen katalytischen Eigenschaften bleibt größtenteils aufgrund der Komplexität der Hydroxyl-Aluminium-Gruppen verborgen.

Eine atomare Analyse der lokalen Umgebungen für die Hydroxyl-Spezies ist entscheidend, um die intrinsische katalytische Aktivität von Zeolithen aufzudecken und das Design von Hochleistungskatalysatoren zu lenken. Viele unerwünschte Faktoren behindern jedoch die Aufklärung ihrer Feinstrukturen, wie die geringe Menge, die metastabile Eigenschaft, die strukturelle Ähnlichkeit, die Wasserstoffbindungs-Umgebung und die langreichweitige ungeordnete Natur.

Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Hou Guangjin und Prof. Chen Kuizhi vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die präzise Struktur komplexer Hydroxylgruppen in Zeolithen mithilfe eines umfassenden Sets selbstentwickelter koppelungsbearbeiteter 1H-17O-Festkörper-Kernresonanz-NMR-Methoden entschlüsselt. Die Studie wurde im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

Die 17O-Festkörper-NMR könnte eine Kandidatin sein, um die analytische Präzision von Zeolithen zu verbessern, wenn es gelänge, die technischen Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der extrem niedrigen natürlichen Häufigkeit, dem niedrigen gyromagnetischen Verhältnis und der quadrupolaren Natur des 17O-Isotops zu überwinden. Daher verwendeten die Forscher eine neuartige 17O-Anreicherungsmethode und entwickelten eine Reihe von 17O-NMR-basierten spektralen Bearbeitungspulsfolgen, die es ihnen ermöglichten, die spektrale Auflösung zu verbessern und die feinen protonischen Strukturen innerhalb von Zeolithen zu untersuchen.

Die präzise und hochauflösende Artenidentifizierung wurde aufgrund der umfassenden Behandlung einer oft vernachlässigten und unerwünschten NMR-Wechselwirkung, nämlich der 2. Ordnung quadrupolar-dipolarer Kreuzterm-Interaktion (2nd-QD-Interaktion), erreicht, die tatsächlich hilfreich war, um wertvolle Informationen über Zeolithstrukturen zu gewinnen.

Des Weiteren haben die Forscher Al···H, O···H-Näherungen innerhalb von Ein-Bindungs- und Mehr-Bindungs-Bereichen quantitativ untersucht und die Dissoziationsraten von Hydroxylprotonen wie BrØnsted-Säurestelle halbquantitativ ermittelt. Sie enthüllten die atomare lokale Umgebung der katalytisch wichtigen Al-OH- und Si-OH-Gruppen.

Die in dieser Studie entwickelten NMR-Techniken könnten weiterhin zur hochauflösenden Analyse von subtilen protonischen Strukturen in anderen Situationen wie Metalloxid-Oberflächen, metallorganischen Gerüsten und Biomaterialien eingesetzt werden. "Unsere Studie könnte eine generische Strategie für die hochauflösende Analyse der subtilen protonischen Strukturen in Zeolithen mit 17O-Festkörper-NMR bieten", sagte Prof. Hou.

Referenz: "Präzise Struktur- und Dynamikdetails in Zeolithen durch koppelungsbearbeitete 1H-17O-Doppelresonanz-NMR-Spektroskopie" von Yi Ji, Kuizhi Chen, Xiuwen Han, Xinhe Bao und Guangjin Hou, 26. März 2024, Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/jacs.3c14787