Revelando catalizadores ocultos: Científicos descubren ideas a escala atómica sobre zeolitas

Un nuevo estudio ha mejorado el análisis estructural de las zeolitas, ofreciendo información sobre sus mecanismos catalíticos y posibles aplicaciones más amplias en la ciencia de los materiales. Crédito: DICP

Investigadores del Instituto de Física Química de Dalian han avanzado en el análisis de las zeolitas mediante técnicas innovadoras de RMN de 17O en estado sólido, revelando las intrincadas estructuras de los grupos hidroxilo y mejorando nuestra comprensión de sus propiedades catalíticas. Este avance podría tener aplicaciones más amplias en el análisis de otros materiales complejos.

Las zeolitas se emplean ampliamente en diversas industrias, pero la comprensión completa de sus propiedades catalíticas intrínsecas sigue siendo difícil, en gran parte debido a la complejidad de los grupos hidroxilo-aluminio.

El análisis a escala atómica de los entornos locales de las especies hidroxilo es esencial para revelar la actividad catalítica intrínseca de las zeolitas y orientar el diseño de catalizadores de alto rendimiento. Sin embargo, muchos factores desfavorables impiden elucidar sus estructuras finas, como la baja cantidad, la propiedad metaestable, la similitud estructural, el entorno de enlace de hidrógeno y la naturaleza desordenada de largo alcance.

Recientemente, un equipo de investigación dirigido por el profesor Hou Guangjin y el profesor Chen Kuizhi, del Instituto Dalian de Física Química (DICP) de la Academia China de Ciencias (CAS), desentrañó la estructura precisa de grupos hidroxilo complejos en zeolitas con un amplio conjunto de métodos de resonancia magnética nuclear (RMN) de estado sólido 1H-17O editados por acoplamiento de desarrollo propio. El estudio se publicó en la revista Journal of the American Chemical Society.

La RMN de 17O en estado sólido sería un candidato para mejorar la precisión analítica de las zeolitas si pudiera superar las dificultades técnicas relacionadas con la extremadamente baja abundancia natural, la baja relación giromagnética y la naturaleza cuadrupolar del isótopo 17O. Por lo tanto, los investigadores emplearon un novedoso método de enriquecimiento con 17O y desarrollaron una serie de secuencias de pulsos de edición espectral basadas en 17O-NMR, lo que les permitió mejorar la resolución espectral y abordar las sutiles estructuras protónicas dentro de las zeolitas.

La identificación precisa y de alta resolución de las especies se atribuyó al tratamiento exhaustivo de una interacción de RMN a menudo olvidada y no deseada, a saber, la interacción cuadrupolar-dipolar de 2º orden de término cruzado (interacción 2º-QD), que resultó realmente útil para obtener información inestimable sobre las estructuras de las zeolitas.

Además, los investigadores sondearon cuantitativamente las proximidades Al---H, O---H en rangos tanto de uno como de varios enlaces, y se dieron cuenta de forma semicuantitativa de las tasas de disociación de protones hidroxilo como el sitio ácido BrØnsted. Revelaron el entorno local a escala atómica de las moléculas Al-OH y Si-OH de importancia catalítica.

Las técnicas de RMN desarrolladas en este estudio podrían aplicarse en el análisis de alta resolución de estructuras protónicas sutiles en otras circunstancias, como superficies de óxidos metálicos, estructuras metalorgánicas y biomateriales. "Nuestro estudio puede proporcionar una estrategia genérica para el análisis de alta resolución de las estructuras protónicas sutiles en zeolitas con RMN de estado sólido de 17O", afirmó la profesora Hou.