Onthulling van verborgen katalysatoren: Wetenschappers ontrafelen inzichten op atomaire schaal in zeolieten

Een nieuwe studie heeft de structurele analyse van zeolieten verbeterd, waardoor inzicht wordt geboden in hun katalytische mechanismen en mogelijke bredere toepassingen in materiaalwetenschap. Credit: DICP

Onderzoekers van het Dalian Institute of Chemical Physics hebben de analyse van zeolieten verbeterd door innovatieve 17O-vaste-stof NMR-technieken te gebruiken, waardoor de ingewikkelde structuren van hydroxylgroepen aan het licht zijn gebracht en ons begrip van hun katalytische eigenschappen is verbeterd. Deze doorbraak zou bredere toepassingen kunnen hebben bij het analyseren van andere complexe materialen.

Zeolieten worden veel gebruikt in verschillende industrieën, maar het volledige begrip van hun intrinsieke katalytische eigenschappen blijft grotendeels ongrijpbaar, grotendeels door de complexiteit van hydroxyl-aluminium verbindingen.

De analyse op atomaire schaal van de lokale omgevingen voor de hydroxylsoorten is essentieel om de intrinsieke katalytische activiteit van zeolieten te onthullen en om de ontwikkeling van hoogwaardige katalysatoren te begeleiden. Echter, vele ongunstige factoren belemmeren het ontrafelen van hun fijne structuren zoals lage hoeveelheid, meta-stabiele eigenschap, structurele gelijkenis, waterstofbindingsomgeving en langeafstands-verstoorde aard.

Recentelijk heeft een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Hou Guangjin en Prof. Chen Kuizhi van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academy of Sciences (CAS) de precieze structuur van complexe hydroxylgroepen in zeolieten ontrafeld met een uitgebreide reeks zelf ontwikkelde koppelingsbewerkte 1H-17O vastestof-kernmagnetische resonantie (NMR) methoden. De studie is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society.

De 17O-vaste-stof NMR zou een kandidaat kunnen zijn om de analytische precisie van zeolieten te verbeteren als het de technische moeilijkheden met betrekking tot de extreem lage natuurlijke voorkomen, lage gyromagnetische verhouding en kwadrupolaire aard van het 17O-isotoop zou kunnen overwinnen. Daarom hebben onderzoekers een nieuw 17O-verrijkingsmethode toegepast en een reeks 17O-NMR-gebaseerde spectraleditie-pulsreeksen ontwikkeld, waardoor ze de spectrale resolutie konden verbeteren en de subtiele protonenstructuren binnen zeolieten konden aanpakken.

De precieze en hoge-resolutie soortidentificatie was te danken aan het uitvoerig aanpakken van een vaak verwaarloosde en ongewenste NMR-interactie, namelijk de 2e-orde kwadrupolaire-dipolaire kruisterm interactie (2e-KD-interactie), dat inderdaad van waarde bleek te zijn bij het verkrijgen van waardevolle informatie over zeolietstructuren.

Bovendien hebben onderzoekers kwantitatief Al···H, O···H nabijheden binnen zowel één-bots als meerdere-bots afstanden onderzocht, en semi-kwantitatief de dissociatiesnelheden van hydroxylprotonen zoals het BrØnsted-zuursite gerealiseerd. Ze hebben de atomaire-schaal lokale omgeving van de katalytisch belangrijke Al-OH en Si-OH verbindingen onthuld.

De NMR-technieken ontwikkeld in deze studie kunnen verder worden toegepast om een hoge-resolutie analyse te bieden van subtiele protonische structuren in andere omstandigheden zoals metaal-oxide oppervlakken, metaal-organische frameworksen en biomaterialen. “Onze studie kan een algemene strategie bieden voor de hoge-resolutie analyse van subtiele protonische structuren in zeolieten met 17O-vaste-stof NMR,” zei Prof. Hou.

Referentie: “Precise Structural and Dynamical Details in Zeolites Revealed by Coupling-Edited 1H–17O Double Resonance NMR Spectroscopy” door Yi Ji, Kuizhi Chen, Xiuwen Han, Xinhe Bao en Guangjin Hou, 26 maart 2024, Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/jacs.3c14787