Die Einführung miteinander verbundener Mesoporen und Makroporen in mikroporöse Zeolithe mit der rationalisierten Porengröße auf jeder Ebene ist eine effektive Strategie zur Unterdrückung der Diffusionsbeschränkungen, bleibt jedoch aufgrund des Mangels an rationalen Designprinzipien eine große Herausforderung.
Geleitet vom verallgemeinerten Murray-Gesetz demonstrierten die Forscher zum ersten Mal das erste Beispiel für die Steigerung der molekularen Diffusion durch die Konstruktion hierarchischer Murray-Zeolithe (OMMM-ZSM-5) mit hochgeordneter und vollständig miteinander verbundener makro-meso-mikroporöser Struktur, die aus einheitlichen Zeolith-Nanokristallen zusammengesetzt ist . Die Wände von Makroporen sind aus der Ansammlung hochgradig einheitlicher Zeolith-Nanokristalle aufgebaut, was zur Bildung eines zusammenhängenden, geordneten mesoporösen Systems führt.
Die hervorragende Interkonnektivität der hierarchischen Murray-Struktur wurde durch die temperaturabhängige hyperpolarisierte 129Xe-kernmagnetische Resonanz bestätigt. In Bezug auf den Stofftransport voluminöser Moleküle innerhalb der stark vernetzten hierarchischen Murray-Struktur von OMMM-ZSM-5 wurde die intelligente gravimetrische Analyse (IGA), eine makroskopische Diffusionsmessung, zur Diffusion von 1,3,5-Trimethylbenzol unter Inert durchgeführt Bedingungen.
OMMM-ZSM-5-Zeolithe zeigten 9,4-mal größere maximale Adsorptionsmengen und eine 9-mal schnellere relative Diffusionsgeschwindigkeit als die von herkömmlichem ZSM-5-Zeolith. Bezüglich des intrakristallinen Diffusionsverhaltens und des Einflusses der miteinander verbundenen und rationalisierten Makro-Meso-Mikroporen auf die Beschleunigung der Diffusion in OMMM-ZSM-5-Zeolith wurde die 1H-Pulsed-Field-Gradienten (PFG)-NMR, eine mikroskopische Diffusionsmessung, angewendet.
Die Gesamtdiffusivität von Molekülen (Df-intra) in dem hierarchischen Murray-Zeolith war etwa 10-mal höher als die von mikroporösem Zeolith ZSM-5. Die obigen Ergebnisse zeigten, dass die miteinander verbundenen und rationalisierten Makro-Meso-Mikroporen in der hierarchischen Murray-Architektur die Diffusionsleistung stark beschleunigen können.
Diese hervorragende Diffusionseigenschaft macht den hierarchischen Murray-Zeolith ZSM-5 zu einem außergewöhnlichen festen Säurekatalysator beim katalytischen Kracken von 1,3,5-Triisopropylbenzol-1,3,5-TIPB. Hierarchischer Murray-Zeolith zeigte eine 2,5-mal höhere katalytische Leistung und eine zweimal geringere Koksablagerung als mikroporöser ZSM-5. Es ist klar, dass das Vorhandensein eines ausgezeichneten hierarchischen Murray-Strukturdiffusionssystems einen hocheffizienten Katalysator bereitstellt, der in vielen organischen katalytischen Reaktionen mit großen Molekülen vielversprechend ist.
Das verallgemeinerte Murray-Gesetz könnte eine vorhersagbare und kontrollierte Produktion von bioinspirierten hierarchisch porösen Materialien mit optimierten Strukturmerkmalen und stark verbesserter Leistung ermöglichen.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht National Science Review.
Mehr Informationen:
Ming-Hui Sun et al, Steigerung der molekularen Diffusion nach dem verallgemeinerten Murray-Gesetz durch Konstruktion hierarchischer Zeolithe für maximierte katalytische Aktivität, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac236