Dévoiler les catalyseurs cachés : Les scientifiques découvrent des éléments à l'échelle atomique dans les zéolithes

Une nouvelle étude a amélioré l'analyse structurale des zéolites, offrant des perspectives sur leurs mécanismes catalytiques et leurs applications potentiellement plus larges en science des matériaux. Crédit : DICP

Des chercheurs de l'Institut de physique chimique de Dalian ont fait avancer l'analyse des zéolites en utilisant des techniques innovantes de RMN à l'état solide 17O, révélant les structures complexes des groupes hydroxyle et améliorant notre compréhension de leurs propriétés catalytiques. Cette percée pourrait avoir des applications plus larges dans l'analyse d'autres matériaux complexes.

Les zéolites sont largement utilisées dans diverses industries, cependant la compréhension complète de leurs propriétés catalytiques intrinsèques reste insaisissable, principalement en raison de la complexité des groupes hydroxyle-aluminium.

L'analyse à l'échelle atomique des environnements locaux pour les espèces hydroxyle est essentielle pour révéler l'activité catalytique intrinsèque des zéolites et guider la conception de catalyseurs performants. Cependant, de nombreux facteurs défavorables empêchent l'élucidation de leurs structures fines telles que la faible quantité, la propriété méta-stable, la similarité structurale, l'environnement de liaison hydrogène, et la nature désordonnée à longue portée.

Récemment, une équipe de recherche dirigée par le Prof. Hou Guangjin et le Prof. Chen Kuizhi de l'Institut de physique chimique de Dalian (DICP) de l'Académie chinoise des sciences (CAS) a dévoilé la structure précise des groupes hydroxyle complexes dans les zéolites avec un ensemble complet de méthodes de RMN à l'état solide de couplage éditées 1H-17O auto-développées. L'étude a été publiée dans le Journal de la Société chimique américaine.

La RMN à l'état solide 17O pourrait être un candidat pour améliorer la précision analytique des zéolites s'il pouvait surmonter les difficultés techniques liées à la très faible abondance naturelle, au faible rapport gyromagnétique, et à la nature quadrupolaire de l'isotope 17O. Par conséquent, les chercheurs ont utilisé une nouvelle méthode d'enrichissement en 17O et développé une série de séquences d'impulsions d'édition spectrale basées sur la RMN 17O, permettant d'améliorer la résolution spectrale et d'aborder les structures protoniques subtiles au sein des zéolites.

L'identification précise et à haute résolution des espèces a été attribuée à l'adressage complet d'une interaction souvent négligée et indésirable en RMN, à savoir l'interaction quadrupolaire-dipolaire du 2e ordre (interaction 2-QD), qui s'est avérée utile pour obtenir des informations inestimables sur les structures zéolithiques.

De plus, les chercheurs ont examiné quantitativement les proximités Al···H, O···H dans les gammes d'une liaison et de plusieurs liaisons, et ont réalisé semi-quantitativement les taux de dissociation des protons hydroxyle tels que le site acide de BrØnsted. Ils ont révélé l'environnement local à l'échelle atomique des groupes Al-OH et Si-OH importants sur le plan catalytique.

Les techniques de RMN développées dans cette étude pourraient être appliquées de manière plus approfondie pour fournir une analyse à haute résolution de structures protoniques subtiles dans d'autres circonstances telles que les surfaces d'oxydes métalliques, les structures métallo-organiques et les biomatériaux. "Notre étude pourrait fournir une stratégie générique pour une analyse à haute résolution des structures protoniques subtiles dans les zéolites avec la RMN à l'état solide 17O," a déclaré le Prof. Hou.

Référence : “Précis Détails structuraux et dynamiques des zéolithes révélés par la RMN à double résonance 1H–17O éditée avec couplage” par Yi Ji, Kuizhi Chen, Xiuwen Han, Xinhe Bao et Guangjin Hou, 26 mars 2024, Journal de la Société chimique américaine. DOI : 10.1021/jacs.3c14787