Zeolithe, kristalline Materialien, die in der petrochemischen Industrie weit verbreitet sind, dienen als zentrale Katalysatoren bei der Herstellung von Feinchemikalien, wobei Aluminium die Quelle von aktiven Stellen innerhalb von Zeolithstrukturen ist. Ein Forschungsteam der Hong Kong Polytechnic University (Polyu) hat den genauen Standort von Aluminiumatomen im Zeolith -Rahmen ergeben.
Diese Entdeckung könnte das Design effizientere und stabilere Katalysatoren erleichtern, um die Erhöhung der petrochemischen Produkte zu erhöhen, eine effiziente Speicherung erneuerbarer Energien zu erzielen und die Luftverschmutzung zu kontrollieren. Dieser Fortschritt wird die Anwendung von Zeolithen in relevanten Bereichen weiter fördern. Die Ergebnisse waren veröffentlicht In Wissenschaft.
Die Forschung wird von Prof. Shik Chi Edman Tsang, Vorsitzender Professor für Katalyse und Materialien des Polyu Department of Applied Biology and Chemical Technology, geleitet. Zu ihm gesetzt sich Prof. TSZ Woon Benedict Lo, Associate Professor, zusammen mit dem Erstautor Dr. Guangchao Li, Forschungsassistenzprofessor, beide aus derselben Abteilung. Das Team arbeitete mit Forschern der University of Oxford und der Innovation Academy for Precision Measurement Science und Technology der chinesischen Akademie der Wissenschaften zusammen.
Die einzigartigen Eigenschaften von Zeolithen, gekennzeichnet durch ihre gut definierte mikroporöse Struktur, hohe Oberfläche und einstellbare Säure und Basizität, machen sie bei petrochemischer Raffinierung, Umweltkatalyse und feinchemischer Synthese unverzichtbar.
Die Verteilung von substitutionellen Aluminiumatomen innerhalb des Zeolith -Gerüsts beeinflusst die Geometrie molekularer Adsorbate, katalytische Aktivität sowie Form- und Größenselektivität. Die genaue Lokalisierung dieser Aluminiumatome und das Verständnis ihrer Auswirkungen auf das katalytische Verhalten von Zeolithen haben jedoch seit Jahrzehnten Herausforderungen für die wissenschaftliche Gemeinschaft.
In seiner Forschung konzentrierte sich das Team sowohl auf Labor-synthetisierte als auch auf kommerzielle H-ZSM-5-Zeolithen, um die Lücke zwischen grundlegender Forschung und praktischer Anwendung zu schließen und H-ZSM-5 für fortschrittliche katalytische Prozesse zu optimieren. Bemerkenswerterweise führte das Team einen innovativen Ansatz ein, der die Synchrotron-Resonanz-Soft-Röntgenbeugung integriert-ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung der Atomstruktur-mit der mit Sonden unterstützten Kernstadien-Nuklear-Magnetresonanz (SSNMR) und molekularen Adsorptionsmethoden.
Diese Integration ergab die Wechselwirkungen von Molekülen an den aktiven Stellen von Aluminiumatomen. Letztendlich hat das Team einen Durchbruch bei der Lokalisierung von Single und Paaren von Aluminiumatomen in einem kommerziellen H-ZSM-5-Zeolith erzielt.
Die Forschungsergebnisse werden die Entwicklung effizienterer und selektiverer Katalysatoren erleichtern, die weitreichende Auswirkungen auf die Petrochemikalien haben und potenzielle Vorteile für Branchen wie erneuerbare Energien und Verschmutzungskontrolle bieten. Die Reduzierung des Energieverbrauchs kann wiederum die Nachhaltigkeit fördern und die Auswirkungen der Umwelt minimieren.
Für die petrochemische Raffinierung können diese Katalysatoren den Kraftstoffertrag und die Qualität verbessern, insbesondere für Produkte wie Benzin und Olefine und gleichzeitig den Energieverbrauch. Im Bereich der Umweltkatalyse tragen sie zur saubereren Luft und mildern die Luftverschmutzung bei. Für erneuerbare Energien und Biokraftstoffe fördern diese Innovationen die Lagerung und Nutzungsprozesse der Wasserstoffstoffe, die für die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft von entscheidender Bedeutung sind.
Prof. Edman Tsang sagte: „Diese Entdeckung ist ein Spielveränderer, da sie den Ort von Aluminiumatomen im Zeolith-Framework genau identifiziert und wie sie zum ersten Mal eine strukturelle Aufklärung von Zeolith-Frameworks ermöglicht. Dieser Durchbruch ermöglicht es, wissenschaftlichere und zielgerichtete Zeoliten-Zeoliten-Zeoliten-Zeoliten zu entwerfen.
Prof. Benedict Lo sagte: „Wir haben verschiedene Techniken untersucht und kombiniert, um eine mehrdimensionale Sicht auf die Verteilung von Aluminiumatomen und ihre Wechselwirkung mit adsorbierten Molekülen zu erreichen, was zu Einsichten in wichtige Reaktionsmechanismen führt.
Dr. Guangchao Li sagte: „Wir werden weitere neue Synthesemethoden entwickeln, um die Verteilung und Konzentration von Aluminiumatomen sowie ihre Porenarchitekturen in Zeolithen genau zu kontrollieren. Dieser Fortschritt ermöglicht die Gestaltung von Katalysaten mit optimierter Aktivität, Selektivität und Stabilität für spezifische industrielle Anwendungen.“
Mit Blick auf die Zukunft wird das Team eng mit Branchenpartnern zusammenarbeiten, um Forschungsergebnisse in kommerzielle Anwendungen umzusetzen. Durch die Nutzung der umfangreichen Netzwerke und Forschungsstärken des Polyu-Daya Bay Technology and Innovation Research Institute, das sich auf grüne Chemie und nachhaltige Katalyse konzentriert, wird das Team mit inländischen petrochemischen Unternehmen zusammenarbeiten, um die Translationsforschung zu fördern und die Kommerzialisierung fortgeschrittener Zeolith-Katalysationen zu beschleunigen.
Diese Bemühungen werden durch hochmoderne Polyu-Einrichtungen gestützt, einschließlich der einzigen SSNMR-Einrichtung in Hongkong und dem bald zugeordneten ersten dynamischen Kernpolarisations-SSNMR (DNP-SSNMR) -Spolometer in der Greater Bay Area und in Südchina. Diese Ressourcen stärken die Forschungsfähigkeiten des Teams und erleichtern die Weiterentwicklung ihrer Forschungsbemühungen.
Weitere Informationen:
Guangchao Li et al., Atom- und Adsorbatinteraktionen von Al-Einzel- und Paarstellen in H-ZSM-5-Zeolith, adsorbat Wissenschaft (2025). Doi: 10.1126/science.adq6644