Odkrywanie ukrytych katalizatorów: Naukowcy odkrywają wgląd na skalę atomową w zeolity.

Nowe badanie wzmocniło analizę strukturalną zeolitów, oferując wgląd w ich mechanizmy katalizujące i potencjalne szersze zastosowania w naukach materiałowych. Kredyt: DICP

Badacze z Instytutu Chemii Fizycznej w Dalian zaawansowali analizę zeolitów, korzystając z innowacyjnych technik 17O NMR w stanie stałym, ujawniając złożone struktury grup hydroksylowych i poprawiając nasze zrozumienie ich właściwości katalizujących. Ten przełom może mieć szersze zastosowania w analizie innych złożonych materiałów.

Zeolity są szeroko stosowane w różnych branżach, jednak kompletna znajomość ich właściwości katalizujących pozostaje nieuchwytna, głównie ze względu na złożoność grup hydroksylowo-alaminowych.

Analiza lokalnych środowisk na skalę atomową dla gatunków hydroksylowych jest kluczowa dla ujawnienia wewnętrznej aktywności katalizującej zeolitów i prowadzenia projektowania wysoko wydajnych katalizatorów. Jednak wiele niekorzystnych czynników utrudnia wyjaśnienie ich drobnych struktur, takich jak niska ilość, właściwości meta-ustabilne, podobieństwo strukturalne, środowisko tworzenia wiązań wodorowych oraz długoterminowe zdezorganizowanie.

Niedawno zespół badawczy pod kierownictwem prof. Hou Guangjina i prof. Chena Kuizhiego z Instytutu Chemii Fizycznej w Dalian (DICP) Chińskiej Akademii Nauk (CAS) odkrył dokładną strukturę złożonych grup hydroksylowych w zeolitach za pomocą kompleksowego zestawu samorozwiniętych technik NMR jądrowego rezonansu magnetycznego 1H-17O sprzężonego z stałym stanem skupienia. Badanie zostało opublikowane w Journal of the American Chemical Society.

NMR jądrowy rezonans magnetyczny w stanie stałym 17O mógłby być kandydatem do poprawy precyzji analitycznej zeolitów, gdyby przezwyciężono trudności techniczne związane z niezwykle niską naturalną obfitością, niskim stosunkiem giromagnetycznym i naturą kwadrupolową izotopu 17O. Dlatego badacze zastosowali nowatorską metodę wzbogacenia 17O i opracowali serię sekwencji pulsów edycji widm 17O-NMR, pozwalając sobie na poprawę rozdzielczości widmowej i zidentyfikowanie subtelnych struktur protonowych wewnątrz zeolitów.

Dokładna i wysokorozdzielcza identyfikacja gatunków została przypisana do kompleksowego rozważania często zaniedbywanej i niechcianej interakcji NMR, jaką jest 2-odrzędna interakcja kwadrupolowo-dipolarna (2-odrzędna interakcja QD), która faktycznie okazała się pomocna w uzyskaniu cennych informacji na temat struktur zeolitów.

Ponadto badacze zbadali ilościowo zbliżenia Al···H, O···H zarówno w jedno- jak i wielo-wiązaniowych zakresach, oraz semi-ilościowo zrealizowali współczynniki rozpadu protonów hydroksylowych takich jak miejsce kwasu BrØnsteda. Ujawnili atomowo skalne środowisko lokalne istotnych katalizacyjnie grup Al-OH i Si-OH.

Techniki NMR opracowane w tym badaniu mogą być dalej stosowane do zapewnienia wysokorozdzielczej analizy subtelnych struktur protonowych w innych okolicznościach, takich jak powierzchnie tlenków metalu, ramki metalo-organiczne oraz biomateriały. "Nasze badanie może dostarczyć generycznej strategii dla wysokorozdzielczej analizy subtelnych struktur protonowych w zeolitach za pomocą NMR jądrowego rezonansu magnetycznego 17O w stanie stałym", powiedział prof. Hou.

Źródło: “Bitna strukturalna i detale dynamiczne w zeolitach ujawnione za pomocą sprzężonej spektroskopii rezonansu podwójnego 1H-17O NMR” autorstwa Yi Ji, Kuizhi Chen, Xiuwen Han, Xinhe Bao i Guangjin Hou, 26 marca 2024 r., Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/jacs.3c14787