Avslöjande av dolda katalysatorer: Forskare avslöjar atom-skala insikter om zeoliter

En ny studie har förbättrat den strukturella analysen av zeoliter, vilket ger insikter i deras katalytiska mekanismer och potentiella bredare tillämpningar inom materialvetenskap. Kredit: DICP

Forskare vid Dalian Institute of Chemical Physics har förbättrat analysen av zeoliter med hjälp av innovativa 17O solid-state NMR-tekniker, vilket avslöjar hydroxylgruppernas invecklade strukturer och förbättrar vår förståelse för deras katalytiska egenskaper. Detta genombrott kan få bredare tillämpningar vid analys av andra komplexa material.

Zeoliter används i stor utsträckning inom olika branscher, men den fullständiga förståelsen av deras inneboende katalytiska egenskaper förblir svårfångad, till stor del på grund av komplexiteten hos hydroxyl-aluminiumgrupper.

Analys på atomär skala av lokala miljöer för hydroxylarterna är avgörande för att avslöja den inneboende katalytiska aktiviteten hos zeoliter och vägleda utformningen av högpresterande katalysatorer. Många ogynnsamma faktorer förhindrar dock att deras fina strukturer klarläggs, t.ex. låg kvantitet, metastabila egenskaper, strukturlikhet, vätebindningsmiljö och oordnad natur med lång räckvidd.

Nyligen avslöjade ett forskarlag under ledning av professor Hou Guangjin och professor Chen Kuizhi från Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) vid Chinese Academy of Sciences (CAS) den exakta strukturen hos komplexa hydroxylgrupper i zeoliter med en omfattande uppsättning egenutvecklade kopplingsediterade 1H-17O solid-state kärnmagnetiska resonansmetoder (NMR). Studien publicerades i Journal of the American Chemical Society.

17O solid-state NMR skulle vara en kandidat för att förbättra den analytiska precisionen hos zeoliter om den kunde övervinna de tekniska svårigheterna relaterade till den extremt låga naturliga förekomsten, det låga gyromagnetiska förhållandet och den kvadrupolära karaktären hos 17O-isotopen. Därför använde forskarna en ny 17O-berikningsmetod och utvecklade en serie 17O-NMR-baserade spektrala redigeringspulssekvenser, vilket gjorde det möjligt för dem att förbättra den spektrala upplösningen och ta itu med de subtila protonstrukturerna i zeoliter.

Den exakta och högupplösta artbestämningen tillskrevs en omfattande hantering av en ofta försummad och oönskad NMR-interaktion, nämligen den andra ordningens kvadrupolära-dipolära tvärtidsinteraktion (2nd-QD-interaktion), vilket verkligen var till hjälp för att få ovärderlig information om zeolitstrukturer.

Dessutom undersökte forskarna kvantitativt Al---H, O---H närhet inom både enbindnings- och flerbindningsområden, och semi-kvantitativt insåg dissociationshastigheterna för hydroxylprotoner såsom BrØnsted syraplats. De avslöjade den lokala miljön på atomär skala för de katalytiskt viktiga Al-OH- och Si-OH-grupperna.

NMR-teknikerna som utvecklats i denna studie kan tillämpas ytterligare för att tillhandahålla högupplöst analys av subtila protonstrukturer under andra omständigheter, såsom metalloxidytor, metallorganiska ramverk och biomaterial. "Vår studie kan ge en generisk strategi för högupplöst analys av de subtila protonstrukturerna i zeoliter med 17O solid-state NMR", säger professor Hou.