ADOR（組立・解体・組織・再組み立て）ルートを使用したゼオライトの合成

このビデオの全体的な目的は、あらかじめ組み立てられたゼオライトを構成成分へと分解し、それらを異なる方法で整理および再構築して新しい材料を形成する「分解-組織化-再構築（assembly-disassembly-organization-reassembly：ADOR）」法による新規ゼオライト材料の調製法を実演することです。ゼオライトは、石油精製の触媒から医療機器の抗菌コーティングに至るまで、さまざまな産業で使用されている極めて重要な固体材料です。ゼオライト調製のためのADOR法は、従来のゼオライト合成法とは大きく異なります。

その結果、作製できる材料の種類も異なります。これにより、新しいアプリケーションへの多くの可能性が開かれます。このビデオでは、異なる細孔径を持つ2つの新しいゼオライト、最も小さい細孔径を持つIPC-4と、より大きなIPC-2の作製方法を紹介します。

親ゲルマニウムUTLゼオライトを合成するには、まず1.08 gの二酸化ゲルマニウムを15 mLの構造規定剤溶液に溶解させます。次に、1.246 gのフュームドシリカをこの溶液に少量ずつ加え、均一な溶液になるまでさらに30分間攪拌します。得られたゲルをポリテトラフルオロエチレンライニング付きオートクレーブに移します。

その後、それをオーブンに入れ、175 °Cで10日間加熱します。10日後、オートクレーブをオーブンから取り出し、室温まで自然冷却させます。ろ過により、白色のゼオライト生成物を回収します。

大量の水で洗浄した後、ゼオライトを70 °Cで一晩乾燥させます。ゼオライトを1 °C/minの速度で550 °Cまで加熱し、550 °Cで6時間保持した後、2 °C/minの速度で室温まで冷却することで、ゼオライトの細孔から構造規定剤を除去します。メーカーのプロトコルに従い、粉末X線回折パターンを取得して構造を確認します。

材料の加水分解を防ぐため、焼成したゼオライトは乾燥した不活性雰囲気下で保存してください。親ゼオライトを分解するには、焼成したゼオライト 1 g を 0.1 M 塩酸溶液 160 mL に加え、ゲルマノシリケート UTL を加水分解して IPC-1P を生成させます。この混合物を 95 °C で 18 時間加熱した後、室温まで冷却し、ろ紙を用いてろ過し固体を回収します。

固形物を大量の水で洗浄し、70 °Cで一晩乾燥させます。最終ステップは、IPC-1Pを整理し、新しいゼオライトへと再構成することです。IPC-4ゼオライトを調製するには、0.5 gのIPC-1Pをセラミック製るつぼに入れます。

サンプルを1°C/minの昇温速度で575°Cまで加熱します。その後、575°Cで6時間保持し、2°C/minの速度で室温まで冷却します。製造元のプロトコルに従って粉末X線回折スペクトルを取得し、構造を確認します。

IPC-2ゼオライトを調製するには、0.5 gのIPC-1Pを10 mLの1.0 M硝酸溶液に加えます。次に、0.1 gのジエトキシメチルシランを溶液に加えます。その後、この溶液をポリテトラフルオロエチレンライニングオートクレーブに移します。

その後、オーブンで175 °Cで18時間加熱します。オートクレーブをオーブンから取り出し、室温まで自然冷却させます。ろ過によって白色生成物を回収し、大量の水で洗浄した後、70 °Cで一晩乾燥させます。

製品をセラミック製るつぼに入れ、加熱・冷却プロトコルに従って加熱します。最後に、製造元のプロトコルを用いて粉末X線回折スペクトルを取得し、構造を確認します。IPC-4の調製は、あらかじめ組み立てられたゲルマニウムUTLから開始します。

0.1 Mの酸性溶液にさらされると、分解が起こりIPC-1Pが形成されます。その後、IPC-1Pの層が好ましい配向に整列します。この時点で、これらの層が縮合によりゼオライトへと再構築され、IPC-4が形成されます。

ここでは、IPC-2調製の全工程を示します。前述のとおり、0.1 molarの酸性溶液にさらすことでIPC-1Pが形成されます。その後、得られたIPC-1Pの層間にさらなるシリコン種を導入し、システムを組織化させます。

その後、これらの層を縮合によりゼオライトへと再構成し、IPC-2を形成させます。最終的なIPC-2とIPC-4材料の違いは、層間にシリコンをさらに導入したことに起因する細孔径にあります。これら2つの構造の違いは、X線回折パターンで確認できます。

IPC-2の最も強度の高いピークはIPC-4よりも低い2θ角にあり、これはIPC-2がより大きな単位格子を持つことを示しています。窒素吸着実験などの他の手法を用いて、材料間の細孔径の違いを視覚化することも可能です。IPC-4の窒素吸着量はIPC-2よりも低く、一方で親物質であるUTLゼオライトが最も高い窒素吸着量を示します。

このプロセスを習得すれば、ゼオライトを製造するための信頼性が高く汎用的な手法となります。文献にある手順のバリエーションにより、IPC-6、IPC-7、IPC-9、IPC-10などの他のゼオライトを得ることが可能です。この手法の開発により、ゼオライト分野の研究者は、それまで不可能と考えられていた材料の合成を探索する道が開かれました。

このような研究は、新しい構造タイプのゼオライトを調製する大きな可能性を切り拓くものであり、それがひいては新たなアプリケーションの展開につながることが期待されます。このビデオを視聴することで、ADORプロセスの実施方法を十分に理解でき、さらに少し練習を重ねれば、既報の文献に記載されている修正を加えることで、他のあらゆる可能性のあるゼオライトを同様に作製できるはずです。この手法の大きな利点は、最終的な材料を真に予測可能であること、および最終的な固体の多孔性を、従来のゼオライト合成では不可能な方法で制御できることです。

一般的に、この手法に慣れていない方は、通常の考え方とは異なるため苦労されるでしょう。材料を底辺から積み上げて構築するのではなく、まず材料を取り出して分解し、その後、新しい構造を持つ材料へと再構築します。