ZMQ-1, nowatorski zeolit glinokrzemianowy z połączonymi ze sobą kanałami mezomikroporowatymi, rozwiązuje ograniczenia tradycyjnych zeolitów poprzez zwiększenie stabilności i wydajności katalitycznej.
Naukowcy opracowali przełomowy zeolit glinokrzemianowy, ZMQ-1, zaprojektowany z charakterystycznym, przecinającym się systemem mezomikroporowatych kanałów. Ta innowacja może znacząco usprawnić procesy katalityczne w przemyśle petrochemicznym.
Opublikowano w Naturaw badaniu przedstawiono ZMQ-1 jako pierwszy zeolit glinokrzemianowy zawierający wzajemnie połączone wewnętrzne mezopory o 28 pierścieniach. To przełomowe rozwiązanie stanowi odpowiedź na długotrwałe wyzwania w projektowaniu zeolitów, w tym ograniczenia dotyczące wielkości porów, stabilności i wydajności katalitycznej.
Konstrukcja ZMQ-1
Zeolity to materiały krystaliczne znane ze swoich zastosowań w wymianie jonowej, adsorpcji i katalizie. Jednak ich mikroporowata struktura ogranicza ich zastosowanie w przetwarzaniu większych cząsteczek. Naukowcy zajęli się tym ograniczeniem, opracowując zeolit z wewnętrznymi mezoporami – porami większymi niż 20 Å – zachowując jednocześnie stabilność i kwasowość.
Poprzednie próby stworzenia mezoporowatych zeolitów napotykały wyzwania, takie jak niestabilność strukturalna i zmniejszona kwasowość, co czyniło je nieodpowiednimi do zastosowań przemysłowych. Jednakże nowo opracowany ZMQ-1 wykazał potencjał rozwiązania tych problemów.
Naukowcy zastosowali organiczny środek kierujący strukturą na bazie fosfoniowej (OSDA), który odegrał zasadniczą rolę w tworzeniu mezoporowatego szkieletu. W porównaniu do tradycyjnych OSDA na bazie amonu, OSDA na bazie fosfonu ma silniejszy ładunek dodatni i większą stabilność, umożliwiając syntezę stabilnych struktur mezoporowatych. Krystalizacja ZMQ-1 została osiągnięta poprzez syntezę hydrotermalną z możliwością regulacji proporcji krzemu do glinu (Si/Al), co umożliwiło dostosowanie do konkretnych zastosowań.
„ZMQ-1 to pierwszy zeolit glinokrzemianowy z wewnętrznym systemem mezomikroporowatych kanałów” – powiedział współautor-korespondent, prof. Peng Lu z Instytutu Bioenergii i Technologii Bioprocesów w Qingdao (QIBEBT) Chińskiej Akademii Nauk. „W przeciwieństwie do wcześniej zgłaszanych materiałów mezoporowatych, którym często brakowało stabilności strukturalnej po usunięciu szablonów organicznych, połączone ze sobą 28-pierścieniowe kanały w ZMQ-1 oznaczają znaczny postęp w projektowaniu zeolitów”.
Unikalną strukturę ZMQ-1 wyjaśniono za pomocą trójwymiarowej dyfrakcji elektronów (3D ED) i skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM). Analiza wykazała, że 28-pierścieniowe mezopory były połączone ze sobą 10-pierścieniowymi mikroporowatymi okienkami, tworząc wydajny system kanałów. Taka konstrukcja umożliwia dyfuzję zarówno dużych, jak i małych cząsteczek, eliminując ograniczenia dyfuzji tradycyjnych zeolitów. W związku z tym ZMQ-1 okazuje się szczególnie skuteczny w krakingu katalitycznym oleju ciężkiego.
Wydajność w krakingu katalitycznym
Aby ocenić działanie ZMQ-1, naukowcy przeprowadzili eksperymenty z krakingiem katalitycznym z próżniowym olejem napędowym (VGO), niezbędnym surowcem w rafinacji ropy naftowej. Wyniki wykazały, że ZMQ-1 osiągnął wysoki współczynnik konwersji VGO porównywalny z dostępnymi na rynku zeolitami USY i Beta. Co więcej, znacznie przewyższał MCM-41, dobrze znane mezoporowate sito molekularne, zarówno pod względem wydajności konwersji, jak i stabilności.
Warto zauważyć, że zawierający fosfor ZMQ-1 wykazał dwukrotnie większą selektywność w produkcji oleju napędowego i znacznie ograniczył tworzenie się koksu w porównaniu do swoich komercyjnych odpowiedników. To połączenie wyższej wydajności oleju napędowego i niższej generacji koksu zaowocowało imponującą ogólną selektywnością paliwa (benzyna i olej napędowy łącznie) wynoszącą 80%, co stanowi wyraźną poprawę w porównaniu z konwencjonalnymi zeolitami.
Wyniki te podkreślają zdolność zawierającego fosfor ZMQ-1 do skutecznego przekształcania ciężkich węglowodorów w cenne paliwa, wykorzystując jego unikalną mezomikroporowatą strukturę w celu maksymalizacji wydajności docelowych produktów przy jednoczesnej minimalizacji niepożądanych produktów ubocznych.
Dzięki wykazanemu potencjałowi w zastosowaniach katalitycznych ZMQ-1 stanowi przełom w opracowywaniu bardziej wydajnych i zrównoważonych procesów chemicznych. Pokonując utrzymujące się wyzwania w badaniach nad zeolitami, takie jak ograniczenia wielkości porów i stabilność strukturalna, ZMQ-1 stwarza nowe możliwości zastosowań w krakingu ropy ciężkiej i konwersji zielonej energii.
Odniesienie: „Stabilny zeolit z atomowo uporządkowanym i połączonym kanałem mezoporowym” autorstwa Peng Lu, Jiaoyan Xu, Yiqing Sun, Rémy Guillet-Nicolas, Tom Willhammar, Mohammad Fahda, Eddy Dib, Bo Wang, Zhengxing Qin, Hongyi Xu, Jung Cho, Zhaopeng Liu, Haijun Yu, Xiaobo Yang, Qiaolin Lang, Svetlana Mintova, Xiaodong Zou i Valentin Valtchev, 11 grudnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08206-1
Badania prowadzili prof. Lu i prof. Valentin Valtchev z Uniwersytetu w Normandii. Wkład w badania wnieśli także naukowcy z Uniwersytetu w Sztokholmie i China University of Petroleum (wschodnie Chiny).
