Les zéolites, matériaux cristallins largement utilisés dans l’industrie pétrochimique, servent de catalyseurs pivots dans la production de produits chimiques fins, l’aluminium étant la source de sites actifs dans les structures de zéolite. Une équipe de recherche de l’Université polytechnique de Hong Kong (Polyu) a révélé l’emplacement précis des atomes d’aluminium dans le cadre de zéolite.
Cette découverte pourrait faciliter la conception de catalyseurs plus efficaces et stables, visant à augmenter le rendement des produits pétrochimiques, à obtenir un stockage efficace d’énergie renouvelable et à contrôler la pollution de l’air. Cette progression favorisera davantage l’application des zéolites dans les domaines pertinents. Les résultats ont été publié dans Science.
La recherche est dirigée par le professeur Shik Chi Edman Tsang, professeur président de la catalyse et des matériaux du département de biologie appliquée et de la technologie chimique appliquée. Il est rejoint par le professeur TSZ Woon Benedict LO, professeur agrégé, ainsi que le premier auteur Dr Guangchao Li, professeur adjoint de recherche, tous deux du même département. L’équipe a collaboré avec des chercheurs de l’Université d’Oxford et de l’Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology of the Chinese Academy of Sciences.
Les propriétés uniques des zéolithes, caractérisées par leur structure microporeuse bien définie, leur surface élevée et leur acidité et basicité accordables, les rendent indispensables dans le raffinage pétrochimique, la catalyse environnementale et la synthèse chimique fine.
La distribution des atomes de substitution en aluminium dans le cadre de zéolite influence la géométrie des adsorbats moléculaires, l’activité catalytique et la sélectivité de forme et de taille. Cependant, localiser avec précision ces atomes d’aluminium et comprendre leur impact sur le comportement catalytique des zéolites pose des défis pour la communauté scientifique depuis des décennies.
Dans leurs recherches, l’équipe s’est concentrée sur les zéolites H-ZSM-5-ZSM-5 commerciales pour combler le fossé entre la recherche fondamentale et l’application pratique, optimisant H-ZSM-5 pour les processus catalytiques avancés. Notamment, l’équipe a introduit une approche innovante qui intègre la diffraction des rayons X douce de résonance synchrotron – un outil puissant pour étudier la structure atomique – avec une résonance magnétique nucléaire à l’état solide assisté par sonde (SSNMR) et des méthodes d’adsorption moléculaire.
Cette intégration a révélé les interactions des molécules aux sites actifs des atomes d’aluminium. En fin de compte, l’équipe a réalisé une percée dans la localisation des atomes simples et des atomes d’aluminium dans une zéolite H-ZSM-5 commerciale.
Les résultats de la recherche faciliteront le développement de catalyseurs plus efficaces et sélectifs, qui ont des implications à grande envergure au-delà de la pétrochimie, offrant des avantages potentiels pour des industries telles que les énergies renouvelables et le contrôle de la pollution. La réduction de la consommation d’énergie peut, à son tour, favoriser la durabilité et minimiser l’impact environnemental.
Pour le raffinage pétrochimique, ces catalyseurs peuvent améliorer le rendement et la qualité du carburant, en particulier pour les produits comme l’essence et les oléfines, abaissant simultanément la consommation d’énergie. Dans le domaine de la catalyse environnementale, ils contribuent à l’air plus propre et à l’atténuation de la pollution atmosphérique. Pour les énergies renouvelables et les biocarburants, ces innovations font progresser les processus de stockage et d’utilisation de l’hydrogène, qui sont cruciaux pour le développement d’une économie d’hydrogène.
Le professeur Edman Tsang a déclaré: « Cette découverte change la donne car elle identifie précisément l’emplacement des atomes d’aluminium dans le cadre de zéolite et comment ils sont positionnés, prévoyant pour la première fois une élucidation structurelle des frameworks zéolitaires.
Le professeur Benedict LO a déclaré: « Nous avons exploré et combiné diverses techniques pour obtenir une vision multidimensionnelle de la distribution des atomes d’aluminium et leur interaction avec les molécules adsorbées, conduisant à des informations sur des mécanismes de réaction cruciaux.
Le Dr Guangchao Li a déclaré: « Nous développerons de nouvelles méthodes de synthèse supplémentaires pour contrôler précisément la distribution et la concentration des atomes d’aluminium, ainsi que leurs architectures de pores dans les zéolites. Cette progression permettra la conception de catalyseurs avec une activité optimisée, une sélectivité et une stabilité pour des applications industrielles spécifiques. »
Pour l’avenir, l’équipe travaillera en étroite collaboration avec les partenaires de l’industrie pour traduire les résultats de la recherche en applications commerciales. En tirant parti des vastes réseaux et des forces de la recherche de l’Institut de recherche sur la technologie et l’innovation de Polyu-Daya Bay, qui se concentre sur la chimie verte et la catalyse durable, l’équipe collaborera avec les sociétés pétrochimiques nationales pour promouvoir la recherche translationnelle et accélérer la commercialisation de catalyseurs avancés de zéolite.
Cet effort est renforcé par des installations de Polyu de pointe, y compris la seule installation SSNMR à Hong Kong et le spectromètre SSNMR (SSNMR NUCLACE (DNP-SSNMR) qui sera bientôt introduit dans la région de la grande baie et le sud de la Chine. Ces ressources renforcent les capacités de recherche de l’équipe et facilitent l’avancement de leurs efforts de recherche.
Plus d’informations:
Guangchao Li et al, Emplacements atomiques et interactions adsorbat Science (2025). Doi: 10.1126 / science.adq6644