Rivelare i catalizzatori nascosti: Gli scienziati scoprono approfondimenti su scala atomica sulle zeoliti

Uno nuovo studio ha potenziato l'analisi strutturale dei zeoliti, offrendo spunti sui loro meccanismi catalitici e potenziali applicazioni più ampie nella scienza dei materiali. Credito: DICP

Ricercatori presso l'Istituto di Fisica Chimica di Dalian hanno avanzato l'analisi dei zeoliti utilizzando innovative tecniche di risonanza magnetica nucleare solida 17O, rivelando le intricate strutture dei gruppi idrossile e migliorando la nostra comprensione delle loro proprietà catalitiche. Questa scoperta potrebbe avere applicazioni più ampie nell'analisi di altri materiali complessi.

I zeoliti sono ampiamente impiegati in svariate industrie, ma la comprensione completa delle loro proprietà catalitiche intrinseche rimane sfuggente, in gran parte a causa della complessità dei moietà idrossile-alluminio.

L'analisi scala atomico degli ambienti locali per le specie idrossile è essenziale per rivelare l'attività catalitica intrinseca dei zeoliti e guidare il design di catalizzatori ad alte prestazioni. Tuttavia, molteplici fattori sfavorevoli impediscono l'elucidazione delle loro strutture fini come la bassa quantità, la proprietà metastabile, la similarità strutturale, l'ambiente di legame idrogeno e la natura disordinata a lungo raggio.

Recentemente, un team di ricerca guidato dal Prof. Hou Guangjin e dal Prof. Chen Kuizhi dell'Istituto di Fisica Chimica di Dalian (DICP) dell'Accademia Cinese delle Scienze (CAS) ha svelato la struttura precisa dei complessi gruppi idrossile nei zeoliti con un insieme di metodi di risonanza magnetica nucleare 1H-17O allo stato solido con accoppiamento auto-sviluppato. Lo studio è stato pubblicato sul Journal of the American Chemical Society.

La risonanza magnetica nucleare 17O solida sarebbe candidata per migliorare la precisione analitica dei zeoliti se riuscisse a superare le difficoltà tecniche legate all'estremamente basso abbondanza naturale, al basso rapporto giromagnetico e alla natura quadrupolare dell'isotopo 17O. Pertanto, i ricercatori hanno impiegato un nuovo metodo di arricchimento di 17O e sviluppato una serie di sequenze di impulsi di editing spettroscopico basate su 17O-NMR, consentendo loro di migliorare la risoluzione spettrale e affrontare le strutture protoniche sottili all'interno dei zeoliti.

L'identificazione precisa e ad alta risoluzione delle specie era attribuita all'affrontare in modo esaustivo un'interazione NMR spesso trascurata e non desiderata, ovvero l'interazione crociata quadrupolare-dipolare del 2º ordine (2a interazione QD), che è stata effettivamente utile nel ottenere informazioni preziose sulle strutture dei zeoliti.

Inoltre, i ricercatori hanno sondato quantitativamente le vicinanze Al···H, O···H entro entrambi i range mono e multi-bond, e realizzato semi-quantitativamente le velocità di dissociazione dei protoni idrossile come siti acidi di BrØnsted. Hanno rivelato l'ambiente locale a scala atomico dei moietà cataliticamente importanti Al-OH e Si-OH.

Le tecniche NMR sviluppate in questo studio potrebbero essere ulteriormente applicate per fornire un'analisi ad alta risoluzione delle sottili strutture protoniche in altre circostanze come superfici metallo-ossido, strutture metallo-organiche e biomateriali. "Il nostro studio potrebbe fornire una strategia generica per l'analisi ad alta risoluzione delle sottili strutture protoniche nei zeoliti con la NMR 17 di stato solido," ha detto il Prof. Hou.

Riferimento: "Precisi Dettagli Strutturali e Dinamici nei Zeoliti Svelati dalla Spettroscopia NMR a Risonanza Doppia 1H-17O con Editing dell'Accoppiamento" di Yi Ji, Kuizhi Chen, Xiuwen Han, Xinhe Bao e Guangjin Hou, 26 Marzo 2024, Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/jacs.3c14787